Кудайбергенов С.Е. Есимбекова Б.Б. Нагымова А.Б.

Восточно- Казахстанский Государственной Университет им. С. Аманжолова,

Г.Усть-Каменогорск

Полимерные наноматериалы

Исходя из способности единичной макромолекулы или же их ансамблей к конформационным превращениям и фазовым переходам, в результате которых происходит обмен информацией и энергией с окружающей средой, в последние четверть века бурное развитие получило одно из перспективных направлений химии и физики полимеров, так называемые «интеллектуальные» (“intelligent” or “smart”) гидрогелевые материалы. Типичными «интеллектуальными» системами, адекватно реагирующими на незначительные изменения температуры, рН, ионного состава, электрического и магнитного поля, светового излучения и др. факторов являются полимерные гидрогели – пространственно-сшитые полимеры, способные поглощать значительное количество жидкости (воды). Например, полиэлектролитные гели способны поглощать от 100 до 5000 г воды на 1 г сухого вещества (Рис. 1).

Рисунок 1. Сухой и набухший в воде образцы гидрогеля

С фундаментальной точки зрения создание наноматериалов из неорганических и органических полимеров, представляет интерес для расширения наших знаний о наночастицах и наноматериалах и в конечном результате привести к развитию нанонауки (нанохимия, нанофизика, нанобиология, нанобиотехнология и т.д.). Результаты фундаментальных исследований могут найти широкое применение в электронике, медицине, биотехнологии и т.д.

Одним из перспективных наноматериалов является кремнезем SiO₂, который традиционно получают золь-гель технологией. Коммерчески доступными веществами для их синтеза являются тетраалкил ортосиликаты, в частности тетраметилортосиликат (ТМОС) или тетраэтилортосиликат (ТЭОС). Золь-гель процесс включает гидролиз ТМОС или ТЭОС и их дальнейшую конденсацию, в результате чего образуются аморфные силикатные частицы. Аналогичным образом можно получать TiO₂ и ZrO₂ из соответствующих алкилортотитанатов и алкилортоцирконатов. Реакция конденсации гидроксидов – трудноконтролируемый процесс, который ускоряется кислотой или щелочью, а в нейтральных условиях фторид-ионами. Причем катализатор определяет структуру конечного продукта. Например, при гидролизе тетраалкилортосиликатов в щелочной среде, скорость конденсации намного превышает скорость гидролиза. В результате этого образуются плотные коллоидные частицы с высококонденсированной структурой. В кислой среде, наоборот, скорость конденсации становится намного меньше скорости гидролиза. В этом случае образуются разветвленные структуры. Данный процесс описывается следующим образом (Рис.2):

Рисунок 2. Наночастицы кремнезема, полученные золь-гель технологией (увеличение 12500 раз) и распределение частиц кремнезема

(средний диаметр 241 нм).

Реакция конденсации приводит к образованию трехмерно-сшитой структуры – геля, межузловое пространство которого заполнено растворителем. Кроме того, в структуре геля содержатся свисающие концы из силанольных групп. Реакция конденсации в объеме уже сформированного геля является функцией времени. Например, в течение 200 дней модуль упругости G’ геля может увеличиться на 4 порядка, т.е. от 0,5 МПа до 5000 МПа из-за медленно-протекающего процесса сшивания.

После получения геля золь-гель технологией, в дальнейшем требуется удаление воды и органических растворителей. Обычная сушка приводит к резкому сжатию частиц геля и их растрескиванию за счет капиллярного эффекта (размеры пор геля составляет менее 10 нм). В случае медленной сушки образуются монолитные образцы, которые со временем испытывают сжатие в результате образования дополнительных сшивок. Одним из серьезных недостатков золь-гель технологии является то, что пористый гель в ходе сжатия и при высокой температуре становится хрупким и ломким.

Главное преимущество технологии разработки наноматериалов на основе природного кремнезема, извлекаемого при подземного выщелачивания (ПВ), состоит в том, что коллоидный кремнезем в гидротермальных условиях образован в течение длительного исторического времени, исчисляемое десятками и сотнями тысячелетий. Фактически он является практически готовым материалом для дальнейшей модификации. В случае успешной разработки технологии выделения, очистки и фракционирования коллоидных частиц кремнезема она могла бы служить альтернативным, широко используемой во всем мире золь-гель технологии, вариантом создания наноматериалов.

Список литературы:

1. Kudaibergenov S.E. Synthesis and Characterization of Polyampholyte Gels. Berichte Bunsenges. Phys.Chem., 100, 1079-1082 (1996).

2. Кудайбергенов С.Е., Бектуров Е.А., Природные и снтетические полиамфолиты: от теории к практике. В кн.: Полимерные электролиты, гидрогели, комплексы и катализаторы. Алматы, 2007, С. 7-45.

3. Дуйсебаев Б.О., Kудайбергенов С. Е. Полимерные наноматериалы неорганического и органического происхождения – перспективные сорбенты для уранового производства, Вестник СГУ, № 4, с.116-125 (2006).

4. Бимендина Л.А., Ибраева Ж.Е., Яшкарова М.Г., Кудайбергенов С.Е. Интерполимерные комплексы новых линейных и сшитых полиамфолитов бетаиновой и чередующейся структуры, Вестник СГУ, № 4, с.32-39 (2006).

5. Д.С.Светличный, С.Е. Кудайбергенов, Синтез и исследование полувзаимопроникающих систем гидрогель-линейный полимер. Сообщение 1. Гидрогель поли(акриламид-со-акриловая кислота)/полиэтиленимин, Вестник СГУ, № 4, с.160-165 (2006).

Заявка на участие

в научной конференции «Научное пространство Европы -2008 ».

ФИО: Нагымова Айжан Бакытовна и др.

ВУЗ: Казахстан, ВКГУ им С. Аманжолова, город Усть-Каменогорск

Звание: студент ВКГУ им С. Аманжолова

Название секции: Пластмассы,полимерные и синтетические материалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство.

Название доклада: Полимерные наноматериалы.

Адрес: Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. Красина 8/1, кв. 191,

Телефон: 8(7232) 47-42-73,

Е-mail: Balshan 12 @ mail. ru