Новости химической науки > Самые прочные волокна в мире

Самая прочная к настоящему времени полимерная нить была получена за счет смешения полимера с частицами восстановленного оксида графена [reduced graphene oxide (RGOF)] и углеродных нанотрубок [carbon nanotubes (CNT)] в процессе прядения. Нить нового типа гораздо дешевле нитей, полученных за счет смешивания полимеров только с углеродными нанотрубками.

Один из способов увеличения прочности полимерных волокон заключается в смешении полимеров с добавками, например, углеродными нанотрубками, в процессе мокрого прядения. По сравнению с полимерами без наполнителей композитные материалы отличаются гораздо большей прочностью. Один из типов таких волокон, полученных из поливинилового спирта и углеродных нанотрубок, характеризуется ударной вязкостью 870 Дж/г, значительно превосходящей ударную вязкость паучьего шелка 165 Дж/г и синтетического параамида кевлара (78 Дж/г), который применяется для изготовления легких бронежилетов.

В недавно проведённых экспериментах углеродные нанотрубки были заменены хлопьями RGOF, получившиеся в результате этого композитные материалы характеризовались меньшей ударной вязкостью, чем композиты поливинилового спирта с углеродными нанотрубками, однако их получение обходится дешевле благодаря низкой стоимости восстановленного оксида графена.

Водородные связи, образующиеся между оксидом графена и функционализированными углеродными нанорубками увеличивают прочность материала. (Рисунок из Nat. Commun., 2012, DOI: 10.1038/ncomms1661)

Сеон Джионг Ким (Seon Jeong Kim) из Университета Ханьянь с коллегами сделали еще один шаг по направлению к созданию синтетической структуры, моделирующей паутину, добавив в полимер комбинацию функционализированных углеродных нанотрубок и восстановленного оксида графена. Паутина, отличающаяся высокой прочностью и гибкостью, состоит из двух типов белков – β-складчатых и α-нитевидных, комбинация которых важна для усиления прочности паутины.

Композит получали следующим образом – раствор одностенных углеродных нанотрубок и хлопьев RGOF вводили в водный раствор поливинилового спирта, образующиеся при этом волокна обрабатывали метанолом для увеличения кристалличности материала и получения более жестких волокон. С помощью сканирующей электронной микроскопии было продемонстрировано, что в процесс прядения RGOF и CNT образуют комплексную систему, способствующую равномерному распределению хлопьев восстановленного оксида графена в композитном материале.

Исследователи пробовали получать композитные материалы с различным соотношением CNT и RGOF, было обнаружено, что наиболее эффективным соотношением для этих углеродсодержащих материалов является соотношение 1:1. Прочность композита обуславливается и тем, что между оксидом графена и функционализированными углеродными нанорубками образуются водородные связи, такая организация композитного материала позволила получить волокна с ударной вязкостью 970 Дж/г – такой прочностью до настоящего времени не мог похвастаться ни один материал.

Цена одностенных углеродных нанотрубок составляет 25000-90000 долларов за килограмм, при этом стоимость оксида графена промышленного производства всего лишь 450 долларов за килограмм, поэтому использование композита, содержащего и углеродные нанотрубки и оксид графена, значительно уменьшит стоимость материала. Исследователи полагают, что цена материала может быть снижена за счет замены одностенных углеродных нанотрубок на многостенные.

Источник: Nat. Commun., 2012, DOI: 10.1038/ncomms1661

метки статьи: #нанотехнологии, #неорганическая химия, #новые материалы, #химическая технология, #химия полимеров