Получение нанокомпозитов через аэрогели - Получение композиционных материалов

Композитные материалы получают путем объединения двух различных материалов. В общем, создание композитов используется для того, чтобы использовать преимущества каждого типа материала, и минимизировать их недостатки. Например, аэрогели кремнезема являются хрупкими субстанциями. При этом другой компонент в полученном материале может увеличивать прочность материала, который, в свою очередь, имеет желаемые оптические свойства, высокую площадь поверхности и низкую плотность как у аэрогеля кремнезема. Помимо этих синтеза и методов обработки, необходимо подчеркнуть, что гибкость золь-гель-процессов позволяет увеличить выбор аэрогелей, кроме диоксида кремния, которые в настоящее время доступны. Архитектура массивных материалов может быть адаптирована с использованием темплатных методов. Химия геля может быть изменена путем прививки либо во время, до или после гелирования. Композиты и нанокомпозиты могут быть созданы путем пропитки пен или волокнистых сеток, диспергирования частиц, порошков или полимеров, или путем синтеза смешанных оксидов на основе диоксида кремния, или оксидов других металлов. Органические гибриды кремнезема также могут быть изготовлены путем многих методов, таких как со-гелирование и сшивка или взаимодействием с функцианализированными частицами.

За последние годы был проведен большой объем исследований в области получения энергетических материалов. Были работы по применению материалов на основе аэрогелей и золь-гель-производных, для получения наноструктурированных энергических композитов (например, взрывчатых веществ, ракетного топлива и пиротехнических составов), а также изучены их характеристики. Аэрогели имеют уникальную плотность, состав, пористость и размеры частиц, а также низкую температуру и мягкие условия химических методов синтеза, все это делает их привлекательными в качестве кандидатов для создания энергетических наноматериалов. Применение этих материалов и методов в этой области технологии привело трем основным типам золь-гель энергетических материалов:1) пиротехника - неорганические золь-гель окислители / металлическое топливо (термитные композиты); 2) золь-гель-производные пористых пирофорных металлических порошков и пленок; 3) органическое золь-гель топливо / неорганические нанокомпозитные окислители (композитные твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества). Поведение всех золь-гель наноструктурных энергетических материалов в значительной степени зависит от нескольких факторов, в том числе площади поверхности, степени смешения между фазами, тип перемешивания (золь-гель или физическое смешивание твердых веществ), способа загрузки твердых частиц, и присутствия примесей. Золь-гель методы привлекательны для области получения наноструктурированных энергетических материалов. Эти методы предлагают много вариантов формы получаемых материалов, таких как монолиты, порошки и пленки, а также имеют широкую композиционную универсальность. Эти атрибуты, в сочетании со строгостью синтетического контроля микроструктурных свойств золь-гель матрицы, обеспечивают подготовку энергических нанокомпозитов с перенастраиваемыми характеристиками. Энергетические материалы разделяются на три класса:1) взрывчатые вещества; 2) твердые ракетные топлива; 3) пиротехнические материалы. Таким образом, материалы могут быть классифицированы на основе скоростей межфазного взаимодействия их реагентов, а также типа энергетического выхода.

Взрывчатые вещества - это материалы, которые реагируют на сверхзвуковой скорости (детонация), и чьи продукты реакции, прежде всего, являются газообразными веществами.

Ракетное топливо также реагирует быстро, и дает, в основном, газообразные продукты реакции, но реагируют, в отличие от взрывчатых веществ, с дозвуковыми скоростями.

Пиротехнические материалы, как правило, реагируют наиболее медленно из всех трех видов энергетических материалов и генерируют высокотемпературные твердые продукты реакции и мало газообразных, генерируя при этом интенсивный видимый световой поток. По крайней мере, два прошедших десятилетия область наноисследований была одним из самых активных направлений исследований в различных научных дисциплинах и энергические материалы не были исключением из этого. Благодаря использованию наноматериалов и передовых технологий изготовления, синтезированы наноэнергетические композиты, которые имеют перспективные возможности. Энергетические нанокомпозиты определяются как смеси окислителя и топлива, частицы которых имеют размеры, или, по крайней мере, один критический размер менее 100 нм. Уменьшение размера увеличивает площадь поверхности контакта между фазами реагентов. Это было достигнуто с использованием различных методов, включая методы конденсации пара, мицеллярного синтеза, химическим восстановлением, ультразвуковым смешения, а также механическими методами смешения. Были получены очень хорошие результаты. В качестве примера, для пиротехнических нанокомпозитов AL/МоО3 Были зафиксированы скорости горения почти на три порядка больше, чем у обычных смесей. Кроме того, такие свойства энергетических материалов, как чувствительность к воздействиям, зависят от размера частиц. Энергетические материалы с меньшими размерами частиц могут быть менее чувствительны к зажиганию и, таким образом, обладают лучшими свойствами с точки зрения безопасности. Эти два важных примера дают мощный стимул для применения наноматериалов и технологий в энергетических областях. Имея это в виду, аэрогели и другие гелеобразные материалы, полученные из золей, были исследованы в последнее десятилетие в качестве наноструктурированных энергетических материалов. Наряду с хорошей смешиваемостью энергетические нанокомпозиты имеют чрезвычайно высокие площади поверхности раздела фаз, золь-гель метод получения этих материалов позволяет обеспечить еще большие межфазные зонах контакта. Все эти благоприятные атрибуты привели к активным исследования по применению золь-гель химии к исследованиям и разработкам энергетических материалов. Органоминеральные нанокомпозиты, на основе аэрогелей кремнезема, обладают комплексом уникальных оптических свойств. Показатель преломления аэрогеля, модифицированного триметилсилильными группами может находиться в диапазоне 1.008-1.06, в зависимости от их плотностей. На рисунке 1 показана зависимость между плотностью и показателем преломления TMSA аэрокремнегеля. Относительное значение показателя преломления N, Почти пропорционально плотности материала аэрогеля в диапазоне высокой пористости. Этот результат соответствует теории "отношения Максвелла-Граната", опубликованной впервые в 1904 году, в применении к нанокомпозитам, составленным органически модифицированным оксидом кремния и воздухом.

корреляция между плотностью и индексов преломления гидрофобных аэрогелей кремнезема (panasonic electric works co., ltd. p-ew)

Рис.1 Корреляция между плотностью и индексов преломления гидрофобных аэрогелей кремнезема (Panasonic Electric Works Co., Ltd. P-EW)

Так как модифицированные аэрогели обладают превосходными оптическими свойствами, прозрачностью, экстремально низким индексом показателя преломления и влагостойкостью, они часто используются в качестве среды в счетчиках Черенкова. Когда заряженная частица проходит через прозрачную среду со скоростью большей, чем скорость света, в материале возникает свечение, открытое П. А.Черенковым и впервые опубликованное им в журнале Physical Revue в 1937 году. Хотя монолитные блоки аэрогеля диоксид кремния, производимые методами сверхкритических способов сушки, довольно дороги для промышленного применения, они внесли большой вклад в прогресс в таких научных областях, как физика высоких энергий. Прогресс науки всегда способствовал улучшению научных исследований и разработок в промышленном мире, поэтому можно ожидать, что аэрогель может стать пионером новых технологий, таких как нанокомпозиты, оптика, космические исследования, энергетические устройства, и так далее. Активные работы ведутся в области наноразмерной инженерии композитов на основе кремнезема для создания различных сенсоров. В работе они описаны как "композиты кремнезем - модифицированный кремнезем", подготовленный после модификации геля кремнезема при гелеобразовании, катализируемом основанием, с другим золем диоксида кремния, на этот раз полученным с использованием катализа кислоты. Этот катализируемый основанием кислотно-модифицированный гель затем обрабатывают с помощью метода углекислотной суперкритической экстракции для получения аэрогеля. Монолиты аэрогеля, полученные в результате такого процесса, имеют объемные свойства аэрогелей диоксида кремния, полученных основным катализом, в том числе с хорошей прозрачностью. При этом поверхностные свойства оказываются более типичными для аэрогеля, полученного методом кислотного катализа. Следовательно, можно улавливать различные виды сильнополярных молекул, в том числе кислотно-основных индикаторов, и использовать их в качестве интерфейса в соответствующих сенсорах.

В работе сообщается о композитных аэрогелях диоксида кремния, содержащих металлические коллоидные частицы (золота или платины), которые имели оптическую прозрачность аэрогелей кремнезема, в сочетании с поверхностными и оптическими свойствами металлического коллоида. Металлические коллоидные частицы равномерно распределены по всему объему смеси и, следовательно, изолированы друг от друга. В то же время, пористость матрицы кремнезема делает эти металлические частицы коллоидов доступными для частиц, которые проходят через матрицу. Поверхность металлического коллоида может быть изменена либо до, либо после гелеобразования, чтобы адаптировать ее к оптическим свойствам материала. Впоследствии этот метод был применен к подготовке монолитов аэрогеля легированных белком Cytochrome c. В буферном растворе белок образует надстройку, содержащую тысячи отдельных белковых молекул вокруг одной частицы коллоидного золота. Модифицированные частицы золота подвергают взаимодействию с TMOS катализируемых основанием, золь для получения композитного материала, получали как описано в. Несмотря на то, что фрагменты Cytochrome c На внешней части надстройки были повреждены во время процесса обмена и экстракции растворителем, большинство внутренних белков пережили процесс экстракции без изменений, в среде, подобной буферу, вокруг частиц золота. Эти монолиты аэрогеля сохранили некоторую реакционную способность Cytochrome c, как показала их реакция на наличие NO в газовой фазе, наличие которого контролировалось по изменению величины оптической плотности с течением времени. Отметим, что относительно низкая температура процесса при использовании метода углекислотной суперкритической экстракции имеет большое значение для сохранения функции белка в этом приложении. При использовании процесса быстрой суперкритической экстракции не следует ожидать сравнимых результатов, потому что этот белок не выдержит более высокие температуры, необходимые, для осуществления такого процесса сушки.

В работе описаны предварительные результаты, которые демонстрируют, что включение нановолокон полианилина в аэрогеле диоксида кремния, полученном на основе TMOS и углекислотной суперкритической экстракции, приводит к увеличению прочности материалов. При этом появляется возможность их потенциального применения для обнаружения газообразных кислот и оснований. Было обнаружено, что, в том числе при введении всего около 6% полианилина от веса материала, была увеличена прочность аэрогеля в три раза, при получении материала такой же низкой плотности (0,088 г/см3). При использовании золотых электродов на поверхности композитного аэрогеля, было обнаружено резкое снижение сопротивления, когда аэрогель подвергали воздействию паров HCl. После проведения всей стадий процесса синтеза, аэрогель является твердым, аморфным, но чрезвычайно пористым (75-99% пористости) материалом. Последний шаг в трансформации является его уплотнение путем тепловой обработки. Часто бывает необходимо преобразовать материал путем спекания аэрогеля в твердое стекло, лишенное пористости, то есть, с относительной плотностью равной 1. Относительная плотность - отношение между объемной плотностью аэрогеля и плотностью кварцевого стекла (2,2 г/см3). На рисунке 2 показана типичная эволюция относительной плотности и удельной площади поверхности во время спекания путем термообработки. Эти кривые, сильно зависят от температуры термообработки, и от содержания гидроксильных групп в структуре аэрогеля, которые влияют на вязкость аэрогеля.

эволюция аэрогеля относительной плотностисr(1) и удельной поверхностиs(2) в зависимости от времени спекания при 1000с

Рис.2 Эволюция аэрогеля относительной плотностиСr(1) и удельной поверхностиS(2) в зависимости от времени спекания при 10000С

Гели, которые изначально некристаллические, могут кристаллизоваться во время последующей термообработки. Успешное образование стекла является результатом конкуренции между явлениями, которые приводят к уплотнению и те, которые способствуют кристаллизации. Из этих данных следует важное применение нанокомпозитов на основе аэрогелей оксида кремния - герметизация радиоактивных отходов атомных электростанций. Актиниды и другие радионуклиды, генерируемые в ядерном топливном цикле, представлены в виде солей в водных растворах. Пользуясь полностью открытой пористой структурой аэрогеля, можно заполнить растворами этих солей весь объем аэрогеля. Затем жидкую фазу удаляют испарением, а пористый композиционный материал (аэрогель + соль) полностью спекают, что приводит к синтезу многокомпонентного материала. Пористая структура аэрогеля используется в качестве принимающего объема. В соответствии с малым размером пор аэрогеля, подготовка такого нанокомпозита является очень простым процессом. Размер доменов будет зависеть от размера пор в аэрогеле и от содержание актинидов в жидкости. Тем не менее, если пытаться заполнить аэрогель с жидкостью, такой как вода, капиллярные силы могут вызвать разрушение аэрогеля. Благодаря сложности текстуры аэрогеля, подробный расчет локальных напряжений при заполнении его жидкостью произвести трудно, он зависит от поверхностной энергии жидкость-пар и размера пор. Таким образом, чтобы избежать растрескивания материала во время заполнения, могут быть предложены различные стратегии:

    1) синтез аэрогеля с большими порами, которые уменьшат величину капиллярных сил; 2) улучшение механической прочности аэрогеля за счет его частичного состаривания и спекания; 3) поверхностная функционализация за счет привития к поверхности аэрогеля хелатообразующих группировок.

Похожие статьи




Получение нанокомпозитов через аэрогели - Получение композиционных материалов

Предыдущая | Следующая