Важность арамидных волокон с улучшенными характеристиками обусловлена их востребованностью — от производства спецодежды и оборудования до защитных материалов, при создании средств пассивной защиты и высокопрочных конструкционных элементов для авиа- и ракетостроения.
Наиболее популярные высокопрочные нити — у Kevlar и Twaron. Российские аналоги волокна «Русар» и «Руслан». Но российские аналоги обладают несомненными преимуществами, такими как термостабильность при высоких температурах использования, более высокие показатели устойчивости на разрыв. Это означает более высокую степень защиты, например, при использовании таких нитей для создания средств пассивной защиты. Перспектива улучшения свойств российских высокопрочных арамидных тканей, безусловно, оказывается в русле общегосударственного курса на импортозамещение по стратегически важным направлениям.
Для улучшения свойств, например, бетона широко применяется технология армирования, то есть улучшение основных свойств материалом, имеющим повышенные прочностные характеристики. Так и в случае волокон: внедрение чего-то, обладающего значительно превосходящими свойствами, позволит получить материал с улучшенными характеристиками. В то же время для использования такого метода «арматура» должна быть значительно меньше, чем основной материал. Идеальным объектом для внедрения оказываются одностенные углеродные нанотрубки. Диаметры нанотрубок составляют порядка 1–2 нм, средний диаметр волокна составляет порядка 16 мкм = 16000 нм. Для сравнения, диаметр волоса человека в среднем 0,08 мм = 80000 нм.
Углерод входит в состав молекул всех органических веществ, поэтому считается основой жизни. Только из атомов углерода состоят два простых вещества — графит и алмаз. Графит — слоистый материал, каждый слой которого состоит только из атомов углерода. В основе углеродных наноматериалов лежит один слой графита — графен, одна из удивительных форм углерода, представляющая собой слой углерода толщиной в один атом. Одностенная углеродная нанотрубка представляет собой слой графена, свернутого в цилиндр. Свойства нанотрубок зависят от угла свертывания и диаметра цилиндра.
Лаборатория спектроскопии наноматериалов под руководством Е. Д. Образцовой вовлечена в синтез и исследования углеродных наноматериалов с 1997 года, была одним из первых коллективов в России, осуществивших синтез одностенных углеродных нанотрубок. Лаборатория была создана в Центре естественно-научных исследований Института общей физики им. А. М. Прохорова и является одним из лидеров в области исследования углеродных наноструктур.
Углеродные наноструктуры имеют уникальные физические, химические и механические свойства, что, несомненно, делает их крайне перспективными с точки зрения возможных применений. Фактически это материалы будущего, уже вошедшие в нашу повседневную реальность. Механические свойства углеродных нанотрубок, такие как высокая степень упругости, малый вес и высокий объем поглощения энергии, уже были успешно использованы ранее для создания высокопрочных композитных материалов. Таким образом, идея внедрения углеродных нанотрубок в различные материалы не нова, тем не менее очень востребована. Многие научные группы во всем мире работают в этом направлении.
Основная проблема внедрения углеродных наноструктур в волокна связана с тем, что внедренные наноструктуры могут стать дефектообразующими элементами, что негативно сказывается на характеристиках волокон в целом. Таким образом, добившись внедрения без потери качества, будет решена очень важная задача.
Одним из важнейших параметров для эффективного введения нанотрубок является равномерное распределение отдельных нанотрубок. Продукт синтеза одностенных углеродных нанотрубок (ОУН) кроме их самих содержит сажу и остатки катализатора, поэтому в первую очередь необходимо произвести очистку материала. Вторая сложность в решении поставленной задачи: ОУН в естественном состоянии «склеиваются» в пучки по нескольку трубок благодаря взаимодействию Ван-дер-Ваальса. Следовательно, необходимо разбить пучки и получить отдельные нанотрубки.
Для решения обеих «сложностей» разработана специальная технология создания суспензии, включающая в себя последовательное ультразвуковое воздействие и ультрацентрифугирование. В воде смешиваются поверхностно-активное вещество (ПАВ) и порошок нанотрубок. В результате ультразвукового воздействия пучки нанотрубок разбиваются и обволакиваются молекулами ПАВ. Дальнейшее центрифугирование позволяет осадить сажу, остатки катализаторов и неразбитые пучки. В результате верхняя фракция такой суспензии содержит чистые отдельные нанотрубки. Проведенные исследования показали, что наиболее эффективным способом ввода углеродных нанотрубок является протяжка сформированного волокна через суспензию, содержащую нанотрубки. Здесь важен также подбор стабилизаторов наноуглеродных суспензий, не препятствующих сорбции наноструктур арамидом (сорбция, от латинского sorbeo — поглощаю, втягиваю; это процесс поглощения одного вещества другим независимо от механизма поглощения). Известно, что в процессе создания волокна содержание влаги строго регламентировано. Поэтому необходимо использовать максимально концентрированную суспензию углеродных нанотрубок. Однако в процессе работы было отмечено, что ПАВ в некоторой степени мешает встраиванию нанотрубки в волокно.
Производство и очистка ОУН или графена в промышленных масштабах — процессы дорогостоящие, а для успешного применения технологии в производстве себестоимость имеет большое значение. Проведенные ранее исследования показали возможность успешного использования других углеродных наностуктур — многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). Процесс синтеза углеродных наноматериалов (одностенные и многостенные нанотрубки, наночастицы) зависит от многих параметров и условий синтеза (тип, структура и соотношение активных компонентов катализаторов; температура синтеза, состав газовой фазы и т. д.). Одним из приоритетных направлений исследований в данной области является исследование влияния каждого из параметров для синтеза углеродных наноструктур с характеристиками, необходимыми для каждого конкретного применения (например, обладающие высоким сродством к полимерным матрицам в нанокомпозитах или высокой биосовместимостью в сенсорных датчиках). Параллельно проводятся исследования по модификации боковых и торцевых участков наноструктур. Такой подход дает ряд преимуществ при создании материалов с улучшенными поверхностными и объемными свойствами и зачастую оказывается просто необходимой манипуляцией при создании наноструктур для конкретного применения и с заданными свойствами. С учетом этих особенностей как наиболее перспективный на сегодняшний день для внедрения углеродных наноструктур в полимерные волокна рассматривается метод функционализации углеродных наноструктур подходящего качества методом, подходящим для данной цели, с учетом технологических особенностей формирования волокна.
Таким образом, на стыке двух наукоемких и высокотехнологичных областей — углеродных наноструктур и арамидных волокон — можно получить значительное улучшение свойств уже существующих материалов, имеющих широкое применение.
Проект реализуется при финансовой поддержке РФФИ.