Удивительный мир фторопластов

Размещено на http://www.allbest.ru/

50

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЧТО ЖЕ ТАКОЕ НАНО

2. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

3. ПЕРЕСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

4. НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФТОРОПЛАСТОВ

4.1 "ФОРУМ" - антифрикционный материал нового поколения для механизмов и машин

4.2 Модифицированный фторопласт триботехнического назначения -Форпласт

4.3 Суперфлувис

5. ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

5.1 Свойства фуллеронов

5.2 Углеродные нанотрубки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

нанотехнология полимерный фторопласт фуллерон

ВВЕДЕНИЕ

Под термином "нанотехнология" следует понимать комплекс научных и инженерных дисциплин, исследующих процессы, происходящие в атомном и молекулярном масштабе. Нанотехнология предполагает манипуляции с материалами и устройствами настолько маленькими, что ничего меньшего быть не может. Говоря о наночастицах, обычно подразумевают размеры от 0,1 нм до 100 нм.

Ожидается, что нанотехнологии обеспечат существенный прорыв в компьютерных технологиях, в медицине, а также и в военном деле. Например, медицинская наука разработала способы доставки лекарств непосредственно к раковым тканям в крошечных "нанобомбах". В будущем наноустройства могут "патрулировать" артерии, противодействуя инфекциям и обеспечивая диагностику заболеваний.

В данной работе рассматривается нанотехнологии в полимерных материалов на примере фторопластов. Также рассматривается какие нанотехнологии на основе фтороплатов уже появились в жизни, а какие будут изменять нашу жизнь в будующем.

1. ЧТО ЖЕ ТАКОЕ НАНО

Приставка "нано" переводится с греческого - "карлик". Фактически - это продолжение математического ряда малых чисел: мили - 10^-3 или одна тысячная часть единицы, микро - 10^-6 одна миллионная часть единицы, нано - 10^-9 одна миллиардная часть единицы.

Нанометр - это одна миллиардная часть метра. Но и это не самый малый размер. Для удобства измерения атомных и молекулярных масштабов в своё время была введена единица Ангстрем, равный одной десятой доле нанометра. Например, диаметр атома кислорода равен 1,4 А. Чтобы мысленно представить такую шкалу размеров, американский физик Ричард Фейнман в 1959 году предложил оригинальный образ: "... вот другой способ запомнить размер атома: если яблоко увеличить до размеров Земли, то атомы в яблоке сами станут размером с яблоко".

Говоря о нанотехнологиях, подразумевают совокупность методов, способов и средств получения вещества и создания материалов с использованием частиц вещества размерами от нескольких молекул до десятков нанометров. Нанотехнологический рынок включает в себя нанопорошки, применяемые в качестве исходного сырья при производстве композиционных и керамических материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, катализаторов химических процессов, добавок к смазочным материалам, красящих пигментов, космических и многих других продуктов. Сюда же можно отнести оборудование для нанотехнологий (зондовые микроскопы, сенсоры), нанофотоэлектронику (светодиоды па базе полупроводниковых гетероструктур, лазеры на квантовых точках), наноструктурированные материалы (фуллерены, углеродные нанотрубки), и т.п.

Рисунок 1. "Нанозапчасть"

Если приглядеться, это самая настоящая коробка перемены передач, только состоящая из нескольких сотен атомов. Эрик Дрекслер просчитал такое устройство на компьютерной модели и убедился, что оно может работать, если соединить нужные атомы в определенном порядке.

2. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Общепризнанным основателем нанотехнологий считается Ричард Фейнман, оригинальное высказывание которого мы уже привели выше, Выступая на Рождественском приёме Американского физического общества Калифорнийском технологическом институте в канун 1960 года, оп в частности сформулировал следующее: "...Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной и может найти множество ценных технических применений. Речь идёт о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров. Внутри пространства располагается поразительно сложный мир форм. Когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до 1960 года никто серьёзно не относится к исследованиям этого мира." Далее он сказал: " . ..Рискну предложить идею, рассчитанную на далёкое будущее, которая мне представляется исключительно интересной. Речь пойдёт о возможности располагать атомы в требуемом порядке - именно атомы, самые мелкие строительные детали нашего мира! Что произойдёт, когда мы научимся реально выстраивать атомы поштучно в заданной последовательности? Разумеется, при этом будут сохраняться какие-то отграничения, например на структуры, соответствующие нестабильным химическим соединениям..."

Технический прогресс ускорил развитие идей Фейнмана. В 1981 году в Швейцарской лаборатории IBM физики Генрих Рорер и Герд Бинниг создали туннельный микроскоп, способный ощупывать отдельные атомы и переставлять их с места на место, отражая все это на экране. В 1986 году им вполне справедливо за это достижение была вручена Нобелевская премия по физике.

А в 1989 году другой сотрудник ВМ Дональд Эйглер выложил на металлической пластине логотип своей фирмы из 35 атомов ксенона. Это положило начало работы с веществом на уровне атомов. Так зародилась нанотехнология.

В 1986 году "крёстный отец" нанотехнологий Эрик Дрекслер выпустил первую научно-популярную книгу о нанотехнологиях "Машины творения", а в 1992 году - он выпустил монографию "Наносистемы: молекулярные машины, производство и вычисления». Ведущий специалист первой в мире биотехнологической компании "ZYVEX" Ральф Меркл выпустил монографию "Наномедицина".

В 1992 году Эрик Дрекслер попытался заинтересовать Конгресс США, выступив перед научным комитетом Конгресса с докладом о перспективах нанотехнологий. Этим заинтересовался конгрессмен Альберт Гор, а в 2000-м году президент США Билл Клинтон объявил о плане Национальной нанотехнологической инициативы.

В России в 2006 году президент Путин заявил о необходимости развития нанотехнологий. Руководителем Российского проекта нанотехнологий был назначен директор Курчатовского института академик РАН Михаил Ковальчук. А во второй половине 2007 года он президент подписал закон "О Российской корпорации нанотехнологий". Правительством были выделены на программу нанотехнологии немалые деньги на закупку оборудования. Это дало определённый толчок развитию данного направления науки и технологий.

3. ПЕРСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Сегодня с помощью нанотехнологий уже создаются сверхпрочные и износостойкие материалы, непачкающиеся и химически стойкие ткани, мембраны для процессов разделения веществ и т.п., в электронике используются нанотрубки. Сделаны первые шаги к производству на наноуровне. Так с помощью разработанной Дрекслером компьютерной программы "Наноинженер" моделируются наноустройства, содержащие тысячи атомов. Имеется проект нанофабрики, разработанный Крисом Фениксом.

В медицине нанотехнологии начинают применяться для лечения рака. А нанотехнолог Р. Фрайтас разработал несколько интересных проектов: искусственная замена эритроцитов крови и замена лейкоцитов, а также наноробот хромаллоцит для замены ДНК в клетках. Тем не менее, перспективы молекулярных технологий значительно шире. С помощью наноманипулятора можно брать отдельный атом и ставить его на нужное место, как на заводском конвейере. Из-за своих малых размеров наноробот сможет выполнять миллионы операций в секунду. Параллельно с ним будут работать миллионы нанороботов, которые быстро и недорого соберут любой предмет, задуманный человеком. Это и сверхмощные компьютеры, эффективные солнечные батареи, сверхпрочные материалы, как, например, сверхпрочный трос для космического лифта между геостационарной космической станцией и землёй, и многое другое. В медицине нанороботы на клеточном уровне смогут решить любые проблемы: очистить артерии от склеротических бляшек, уничтожить инфекционные или раковые клетки, при необходимости даже перепрограммировать клетку на генетическом уровне. Микроскопического хирурга раковых опухолей уже изобрели исследователи американского Университета Джона Хопкинса. Аппарат размером меньше частицы пыли проникает в организм человека. Ориентируясь на биохимические сигналы, исходящие от каждой клетки, определяет злокачественные и удаляет их своими клешнями. Дизайном миниатюрное зажимное устройство (микро-гриппер) обязано крабу. Наноробот приводится в действие магнитным импульсом. Микро-грипперы содержат мельчайшие частицы никеля, воздействуя на которые с помощью магнитов, исследователи задают направление движению зонда.

Ведущие нанотехнологии Э. Дрекслер, Р. Фрейтас, Р.Меркель начали открытый проект по разработкам в области молекулярного производства "Nanofactory Collaboration". С Российской стороны к проекту уже присоединились ряд организаций, в том числе Казанский государствеппый упиверси' тет и другие.

4. НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФТОРПОЛИМЕРОВ

4.1 "ФОРУМ" - антифрикционный материал нового поколения для механизмов и машин

Материалом нового поколения на базе ПТФЭ можно назвать противоизносную антифрикционную добавку к смазочным материалам "ФОРУМ". Так назван Фторорганический ультрадисперсный материал, полученный по специальной технологии в Институте Химии Дальневосточного отделения РАН крупностью частиц около микрона. К нанотехнологиям процесс его получения относится с некоторой "натяжкой", однако, посмотрев на частицу Форума в микроскоп, мы заметим, что она похожа на капустный вилок.

Рисунок 2. Частица "ФОРУМа" - "капустный вилок"

А он состоит из чешуек полимера размером менее 50 - 100 нанометров. Именно эти чешуйки и дают высокий эффект. Они с охлаждающим маслом вводятся в узлы трения механизма. За счет своей ультрадисперсности они обладают способностью не задерживаться в фильтрах масла т.к. диаметр пор фильтра тонкой очистки примерно в 15 - 20 раз больше частиц Форума. Попадая в узлы трения, эти частицы под действием давления в точке трения прочно связываются с поверхностью металла и заполняют все неровности плотной пленкой, особенно в местах, подверженных интенсивному износу.

Такая пленка устраняет дефекты поверхности, увеличивает уплотнение деталей и приводит к резкому уменьшению коэффициента трения. При этом пленка выдерживает температуру в зоне трения до 415^оС. Следует заметить, что в уздах трения локально возникают очень высокие температуры в точках соприкосновения металла по металлу. Именно в этих точках происходит местное окисление и деструкция масла, а также коррозия металла. Продукты триботехнического разложения требуют периодической замены масла. В узлах трения, обработанных "ФОРУМом", такой процесс практически сводится па пет. Фторполимерная наноплёнка защищает узлы трения от износа, коррозии и снижает коэффициент трения и температуру в узлах трения. Показательно, что вибрация машин при этом также снижается до 8 децибел.

Эффект от применения "ФОРУМа" в редукторах обнаруживается через 3 - 4 часа работы. За счет значительного уменьшения трения срок службы редуктора возрастает, шестерни работают в "мягком" режиме, уменьшается шум и вибрация, улучшается КПД редуктора. При вскрытии механизма мы обнаружим дополнительную защиту от внутренней коррозии.

Как известно, основной износ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) происходит во время запуска, так как в данный момент масло еще находится в картере, а в трущихся парах происходит "сухое" трение.

"ФОРУМ" облегчает запуск двигателя в любых условиях, особенно при низких отрицательных температурах окружающего воздуха. Топкая пленка ПТФЭ (сухая смазка) па внутренних поверхностях двигателя за счет низкого коэффициента трения устраняет пусковой износ и увеличивает срок жизни двигателя.

Ученые Института химии ДВО РАН провели следующий эксперимент. Они слили масло из картера двигателя автомобиля «Нисан», предварительно обработанного "ФОРУМом". Двигатель проработал без масла 45 минут и остановился от температурного расклинивания. В двигатель снова залили масло с "ФОРУМом" и автомобиль длительно эксплуатируется без всяких проблем. Как показала практика, защитный слой ПТФЭ сохраняется до 1,5 -2,5 тысяч часов работы механизма, после чего его надо возобновить.

На практике оказалось, что "ФОРУМ" защищает узлы трения от агрессивных и некачественных смазывающих материалов.

Он оказался полезен для гидравлических систем, т.к. снижает износ уплотнений, позволяет избежать потерь гидравлического масла и продлить срок службы механизма. «ФОРУМ» оказался просто необходим для подшипников качения, работающих в тяжелых условиях и в агрессивной среде.

Первыми по достоинству оценили «ФОРУМ» частные владельцы автотранспорта, затем авто- и мотогонщики, позднее - судовладельцы. И только сейчас потребпость в «ФОРУМе» стали испытывать крупные предприятия, которые почувствовали значительное увеличение межремонтных пробегов техники за счет уникальной добавки. Использование «ФОРУМ»а промышленными потребителями - одно из наиболее перспективных направлений общей стратегии продвижения ресурсосберегающих добавок.

Практика показала, что применение "ФОРУМа" дает экономию:

- на лесовозе КАМАЗ топлива и масла примерно на 30 - 50 тыс. руб. за сезон;

- на экскаваторе или автокране г/п 16тн - на 25 - 40 тыс. руб. за год;

- в редукторах подъёмников и других электромеханизмов - экономия электроэнергии 15 - 20 тыс. руб. на каждый механизм в год;

По моим предварительным расчетам применение "ФОРУМа" в двигателях, редукторах и механизмах крупного предприятия, как например, Кирово-Чепецкий химкомбинат, может дать экономию ресурсов более 50 миллионов рублей ежегодно.

Наночастицы ПТФЭ оказались волшебными не только для автомобилей, но и для каждого энергетика, стремящегося к экономии энергоресурсов.

4.2 Модифицированный фторопласт триботехнического назначения -Форпласт

Ученые ФГУП НИФХИ им. Л.Я.Карпова г. Москва путем квантового воздействия на заготовки исходного фторопласта-4 в расплаве, получили полимер, который в 10 тысяч раз повысил износостойкость, в 300 раз стойкость против радиационного воздействия, полимер приобрел упругие свойства, уменьшив свою хладотекучесть.

Совместная работа института с нашими производственниками позволила получить первую полупромышленную партию модифицированного фторопласта, который довольно точно назвали "ФОРПЛАСТом" (ФОРсированный ПЛАСТик). Испытания триботехнических характеристик "ФОРПЛАСТа" (износостойкости и коэффициента трения) проведены ведущими специалистами в этой области на Кирово-Чепецком химическом комбинате, в НПО им. СА. Лавочкина (г. Химки, Московской обл.), в ИММС НАН им. В.А. Белого (г. Гомель, Белоруссия), в ОАО Галоген (г. Пермь).

Испытания деформационно-прочностных характеристик, климатической стойкости, потери массы и выделения газа проведены в НИФХИ им. Л.Я. Карпова (г. Москва), ОАО Институт пластмасс им. Г.С. Петрова (г. Москва), ОАО Композит (г. Королев, Московской обл.).

Испытания теплового расширения и хладотекучести проведены и испытательном центре ФГУП ВИАМ. Форпласт проходил промышленные испытания на крупных машиностроительных предприятиях, в том числе на Московском компрессорном заводе "Борец", "Сумском научно-техническом центре компрессорного машиностроения", на автомобильном гиганте БелАЗ.

Первыми применили новый материал изготовители космической техники, затем конструкторы военной и авиационной техники, атомной энергетики, а также изготовители отечественной запорной арматуры для особо ответственных узлов, работающих в недоступных для человека местах.

Таблица 5.1. Сравнительные характеристики исходного и модифицированного ПТФЭ

4.3 Суперфлувис

Институт Механики Металлополимерных Систем им. В.А.Белого Национальной Академии Наук Беларуси в содружестве с ООО "Девятый элемент" и ОАО "Галоген" с 2006 года работают над отработкой промышленной технологии так называемого "СУПЕРФЛУВИСА" - композитного материала нового поколения на базе фторопласта-4 с применением нанотехнологий. Суть процесса заключается в том, что углеволокно для приготовления композита проходит предварительную плазменно-химическую обработку (ПХО), при которой па пего наносится нанометровый слой тетрафторэтилена. Происходит смачивания углеволокном полимером. После этого процесс приготовления композита ничем не отличается от технологии изготовления Флубона. ПХО приводит к увеличению сплошного слоя композита, уменьшению микротрещин на границе матрица -- наполнитель, уменьшению концентраторов напряжений при механическом воздействии па композиционный материал при его работе в механизме.

Рисунок 3. Смачивание расплавом фторполимера исходных УВ (слева) и УВ с нанопокрытием из нанесенного в плазме фторполимера (справа).

Рисунок 4. Каждое углеволокно покрыто фторполимером толщиной 20 нанометров.

Ниже приведена сравнительная таблица данных ИММС НАН Беларуси о характеристиках нового композита.

Таблица 5.2. - Сравнительные характеристики композитов

5. ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

В 21 веке исследованиям фуллеренов стали уделять особое место. И это не случайно, в чём Вы сможете убедиться, дочитав эту страницу. Материал для неё мне любезно предоставил Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Красноярск.

Фуллерены в твёрдом состоянии - это молекулярные кристаллы углерода, которые наряду с алмазом и графитом являются ещё одной аллотропной формой углерода. Основным представителем фуллеренов является молекула С₆₀ или бакминстерфуллерен (название дано в честь архитектора Фуллера, использовавшего для своих конструкций квазисферические полусферы). Молекула С₆₀ состоит из 60 атомов углерода, составляющих икосаэдрическую шаровую поверхность, подобную поверхности футбольного мяча, и состоит из 12 пятиугольников. Размер молекула около 7 Ангстрем, т. е. это наноразмерный кластер. Существуют также высшие фуллерены С₇₀ - C₁₂₂, имеющие более высокую химическую активность.

Фуллереновые соединения подразделяются на внутрисферные или эндофуллерены, гетерофуллерены - где ряд атомов углерода замещены на атомы других элементов, экзофуллерены - внешнесферные фуллерены. Можно встретить термины: фуллериды - это экзофуллерены с присоединёнными атомами металлов, гидрофуллерены (с присоединёнными атомами водорода), фуллерол (с присоединённой группой ОН), фуллерит - фуллерены в твёрдом состоянии Соединения подобные фуллеренам могут образовывать также атомы золота.

5.1 Свойства фуллеренов

Сродство к электрону у С₆₀ составляет 2,65 эВ, потенциал ионизации - 7 эВ, молекула может принимать до 12 электронов или отдавать один электрон.

Фуллерены являются единственной растворимой формой углерода. Они растворяются в неполярных органических растворителях и слаборастворимы в алканах нормального строения. При растворении образуются соединения донорно-акцепторного типа.

Фуллерит С₆₀ в нормальных условиях имеет гранецентрированную кубическую решётку с постоянной решетки 14,198 А.

- плотность Сб0 1,72 г/см³,

- объёмный коэффицент термического расширения 6,1

Кристаллический фуллерен является полупроводником.

Фуллериты термодинамически менее устойчивы, чем алмаз или графит. Разрушение молекул Сб0 и С70 в конденсированном состоянии начинается при 1000^оК, в газовой фазе при 2650^оК и 2440^оК соответственно.

Области применения фуллеренов:

фотопроводники, полупроводники, солнечные батареи, специальные лазерные источники, электрохимические сенсоры, катализаторы, антифрикционные добавки и т.п.

Фуллерит, обработанный давлением 13 ГПа при Т=1830^оК превращается в ультратвёрдый материал, превосходящий алмаз широкая перспектива в медицине и биологии.

5.2 Углеродные нанотрубки

Следующая структурная разновидность молекул углерода - нанотрубки (протяжённые одно- или многослойные цилиндрические структуры длиной от 1 нм до десятых долей мкм). Существует также - линейно-цепочный одномерный полимер углерода (С-С)_n - карбин, на котором мы останавливаться не будем. Приводимые ниже в таблице 1 характеристики мне предоставил Тамбовский Государственный университет. Материал, созданный па базе углеродных папотрубок был пазвап УНМ «Таупит».

УНМ «Таунит» представляет собой одномсрныс наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита в виде сыпучего порошка черного цвета. Гранулы У НМ микрометрических размеров имеют структуру спутанных пучков многостенных трубок (MWNT).

Таблица 5.3. Общая ха акте истика УНМ «Таишт»

Области применения УНМ "Таунит":

- Наполнители композитных конструкционных наноматериалов;

- Электропроводящие полимерные композиты;

- Газораспределительные слои в топливных элементах;

- Компоненты смазочных материалов;

- Аккумуляторы водорода;

- Фильтры широкого спектра назначения;

- Углеродные электроды литиевых батарей;

- Модифицирующие добавки в бетоны специального назначения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы прекрасно понимаем, что находимся в самом начале пути к замечательным открытиям, которые будут связаны с нанотехнологиями. Но как говорят в России: "только идущий освоит путь".

Ученые предполагают, что влияние нанопроизводства на мировую экономику будет значительно большим, чем Интернет и Промышленная революция вместе взятые.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Возняковский А. Композиты на наноуглеродах // Техника-молодежи. - 2007. - №11. - С. 5-7.

2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику.-М., 2007.- 496с.

3. Удивительный мир фторопластов / Б. А. Логинов 2-е изд, дополненное .- Москва:. 2009. - 168с.

Размещено на Allbest.ru