กลไกอิทธิพลของท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวต่อโพลีเมอร์ นาโนเทคโนโลยี: ท่อนาโนคาร์บอน ด้านบวกและด้านลบ

พลังงานเป็นอุตสาหกรรมสำคัญที่มีบทบาทอย่างมากในชีวิตมนุษย์ สถานการณ์พลังงานในประเทศขึ้นอยู่กับผลงานของนักวิทยาศาสตร์หลายคนในอุตสาหกรรมนี้ ทุกวันนี้พวกเขากำลังค้นหาจุดประสงค์เหล่านี้ พวกเขาพร้อมที่จะใช้ทุกอย่างตั้งแต่แสงแดด น้ำ ไปจนถึงพลังงานลม อุปกรณ์ที่สามารถผลิตพลังงานจากสิ่งแวดล้อมมีมูลค่าสูง

ข้อมูลทั่วไป

ท่อนาโนคาร์บอนเป็นระนาบกราไฟท์แบบม้วนยาวที่มีรูปร่างทรงกระบอก ตามกฎแล้วความหนาจะสูงถึงหลายสิบนาโนเมตรโดยมีความยาวหลายเซนติเมตร ที่ปลายท่อนาโนจะเกิดหัวทรงกลมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของฟูลเลอรีน

ท่อนาโนคาร์บอนมีสองประเภท: โลหะและเซมิคอนดักเตอร์ ความแตกต่างที่สำคัญคือค่าการนำไฟฟ้าในปัจจุบัน ประเภทแรกสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ที่อุณหภูมิเท่ากับ 0 องศาเซลเซียสและประเภทที่สอง - ที่อุณหภูมิสูงขึ้นเท่านั้น

ท่อนาโนคาร์บอน: คุณสมบัติ

สาขาสมัยใหม่ส่วนใหญ่ เช่น เคมีประยุกต์หรือนาโนเทคโนโลยี เกี่ยวข้องกับท่อนาโนซึ่งมีโครงสร้างโครงคาร์บอน มันคืออะไร? โครงสร้างนี้หมายถึงโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เชื่อมต่อถึงกันโดยอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น ท่อนาโนคาร์บอนซึ่งมีคุณสมบัติตามเปลือกปิดนั้นมีราคาสูง นอกจากนี้การก่อตัวเหล่านี้ยังมีรูปทรงกระบอก หลอดดังกล่าวสามารถหาได้โดยการรีดแผ่นกราไฟท์หรือปลูกจากตัวเร่งปฏิกิริยาเฉพาะ ท่อนาโนคาร์บอนซึ่งมีรูปถ่ายด้านล่างมีโครงสร้างที่ผิดปกติ

มีรูปร่างและขนาดต่างกัน: แบบชั้นเดียวและหลายชั้น แบบตรงและแบบโค้ง แม้ว่าท่อนาโนจะดูค่อนข้างเปราะบาง แต่ก็เป็นวัสดุที่แข็งแกร่ง จากการศึกษาจำนวนมากพบว่ามีคุณสมบัติเช่นการยืดและการดัดงอ ภายใต้อิทธิพลของภาระทางกลที่รุนแรงองค์ประกอบจะไม่ฉีกขาดหรือแตกหักนั่นคือสามารถปรับให้เข้ากับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันได้

ความเป็นพิษ

จากการศึกษาหลายครั้งพบว่าท่อนาโนคาร์บอนอาจทำให้เกิดปัญหาเช่นเดียวกับเส้นใยแร่ใยหิน กล่าวคือ ทำให้เกิดเนื้องอกเนื้อร้ายหลายชนิด รวมถึงมะเร็งปอดด้วย ระดับของผลกระทบด้านลบของแร่ใยหินขึ้นอยู่กับชนิดและความหนาของเส้นใย เนื่องจากท่อนาโนคาร์บอนมีขนาดเล็กและมีน้ำหนักและขนาด จึงเข้าสู่ร่างกายมนุษย์ได้ง่ายพร้อมกับอากาศ จากนั้นพวกเขาก็เข้าไปในเยื่อหุ้มปอดและเข้าไปในหน้าอกและเมื่อเวลาผ่านไปทำให้เกิดโรคแทรกซ้อนต่างๆ นักวิทยาศาสตร์ทำการทดลองและเพิ่มอนุภาคนาโนทิวบ์ลงในอาหารของหนู ผลิตภัณฑ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กไม่ได้คงอยู่ในร่างกาย แต่มีขนาดใหญ่กว่าจะเจาะเข้าไปในผนังกระเพาะอาหารและทำให้เกิดโรคต่างๆ

วิธีการรับสินค้า

ในปัจจุบัน มีวิธีการผลิตท่อนาโนคาร์บอนดังต่อไปนี้: ประจุส่วนโค้ง, การระเหย, การสะสมไอ

การปล่อยอาร์คไฟฟ้า การได้รับ (อธิบายไว้ในบทความนี้คือท่อนาโนคาร์บอน) ประจุไฟฟ้าในพลาสมาซึ่งเผาไหม้โดยใช้ฮีเลียม กระบวนการนี้สามารถดำเนินการได้โดยใช้อุปกรณ์ทางเทคนิคพิเศษสำหรับการผลิตฟูลเลอรีน แต่วิธีนี้ใช้โหมดการเบิร์นอาร์คอื่น ตัวอย่างเช่นมันลดลงและยังใช้แคโทดที่มีความหนามหาศาลอีกด้วย ในการสร้างบรรยากาศฮีเลียม จำเป็นต้องเพิ่มความดันขององค์ประกอบทางเคมีนี้ ท่อนาโนคาร์บอนผลิตโดยการสปัตเตอร์ เพื่อให้จำนวนเพิ่มขึ้นจำเป็นต้องใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาลงในแท่งกราไฟท์ ส่วนใหญ่มักเป็นส่วนผสมของกลุ่มโลหะต่างๆ จากนั้นจึงเปลี่ยนวิธีการฉีดด้วยแรงดันและสเปรย์ ดังนั้นจึงได้รับการสะสมของแคโทดซึ่งเกิดท่อนาโนคาร์บอน ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจะเติบโตในแนวตั้งฉากกับแคโทดและรวบรวมเป็นมัด มีความยาว 40 ไมครอน

การระเหย วิธีการนี้คิดค้นโดย Richard Smalley สิ่งสำคัญคือการระเหยพื้นผิวกราไฟท์ต่างๆ ในเครื่องปฏิกรณ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง ท่อนาโนคาร์บอนเกิดจากการระเหยของกราไฟท์ที่ด้านล่างของเครื่องปฏิกรณ์

พวกมันจะถูกทำให้เย็นและรวบรวมโดยใช้พื้นผิวทำความเย็น หากในกรณีแรก จำนวนองค์ประกอบเท่ากับ 60% ดังนั้นด้วยวิธีนี้ ตัวเลขจึงเพิ่มขึ้น 10% ค่าใช้จ่ายในการกำจัดด้วยเลเซอร์มีราคาแพงกว่าวิธีอื่นทั้งหมด ตามกฎแล้วจะได้ท่อนาโนที่มีผนังชั้นเดียวโดยการเปลี่ยนอุณหภูมิของปฏิกิริยา

การสะสมของไอ วิธีการสะสมไอคาร์บอนถูกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงปลายทศวรรษที่ 50 แต่ไม่มีใครคิดด้วยซ้ำว่าจะสามารถนำไปใช้ผลิตท่อนาโนคาร์บอนได้ ดังนั้นก่อนอื่นคุณต้องเตรียมพื้นผิวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา อาจเป็นอนุภาคขนาดเล็กของโลหะชนิดต่างๆ เช่น โคบอลต์ นิกเกิล และอื่นๆ อีกมากมาย ท่อนาโนเริ่มโผล่ออกมาจากชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ความหนาขึ้นอยู่กับขนาดของโลหะเร่งปฏิกิริยาโดยตรง พื้นผิวได้รับความร้อนที่อุณหภูมิสูง จากนั้นจึงจ่ายก๊าซที่มีคาร์บอน ในจำนวนนี้มีเทน อะเซทิลีน เอทานอล ฯลฯ แอมโมเนียทำหน้าที่เป็นก๊าซทางเทคนิคเพิ่มเติม วิธีการผลิตท่อนาโนนี้เป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุด กระบวนการนี้เกิดขึ้นในสถานประกอบการอุตสาหกรรมหลายแห่งเนื่องจากมีการใช้ทรัพยากรทางการเงินน้อยลงในการผลิตหลอดจำนวนมาก ข้อดีอีกประการหนึ่งของวิธีนี้คือสามารถหาองค์ประกอบแนวตั้งได้จากอนุภาคโลหะใดๆ ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การผลิต (อธิบายท่อนาโนคาร์บอนจากทุกด้าน) เกิดขึ้นได้เนื่องมาจากการวิจัยของซูโอมิ อิจิมะ ซึ่งสังเกตลักษณะที่ปรากฏภายใต้กล้องจุลทรรศน์อันเป็นผลมาจากการสังเคราะห์คาร์บอน

ประเภทหลัก

องค์ประกอบของคาร์บอนจำแนกตามจำนวนชั้น ประเภทที่ง่ายที่สุดคือท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว แต่ละอันมีความหนาประมาณ 1 นาโนเมตร และมีความยาวมากกว่านั้นมาก หากพิจารณาจากโครงสร้างแล้ว ผลิตภัณฑ์จะดูเหมือนกราไฟท์ที่พันโดยใช้ตาข่ายหกเหลี่ยม ที่จุดยอดมีอะตอมของคาร์บอน ดังนั้นท่อจึงมีรูปทรงทรงกระบอกซึ่งไม่มีตะเข็บ ส่วนบนของอุปกรณ์ปิดด้วยฝาปิดที่ประกอบด้วยโมเลกุลฟูลเลอรีน

ประเภทถัดไปคือท่อนาโนคาร์บอนแบบหลายผนัง ประกอบด้วยกราไฟท์หลายชั้นซึ่งพับเป็นรูปทรงกระบอก รักษาระยะห่างระหว่างกันไว้ 0.34 นาโนเมตร โครงสร้างประเภทนี้อธิบายได้สองวิธี ตามข้อแรก ท่อหลายชั้นคือท่อชั้นเดียวหลายท่อซ้อนกันอยู่ภายใน ซึ่งดูเหมือนตุ๊กตาทำรัง ตามที่กล่าวไว้ในประการที่สอง ท่อนาโนที่มีหลายชั้นนั้นเป็นแผ่นกราไฟท์ที่พันรอบตัวเองหลายครั้ง คล้ายกับกระดาษพับ

ท่อนาโนคาร์บอน: การใช้งาน

องค์ประกอบเหล่านี้เป็นตัวแทนใหม่ของกลุ่มวัสดุนาโน

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น มีโครงสร้างเฟรมซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างจากกราไฟต์หรือเพชร นั่นคือสาเหตุว่าทำไมจึงมีการใช้บ่อยกว่าวัสดุอื่น

เนื่องจากลักษณะเฉพาะ เช่น ความแข็งแรง การดัดงอ การนำไฟฟ้า จึงถูกนำมาใช้ในหลายสาขา:

เป็นสารเติมแต่งให้กับโพลีเมอร์
ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับอุปกรณ์ให้แสงสว่าง เช่นเดียวกับจอแบนและท่อในเครือข่ายโทรคมนาคม
เป็นตัวดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
สำหรับการแปลงพลังงาน
การผลิตแอโนดในแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ
การเก็บไฮโดรเจน
การผลิตเซ็นเซอร์และตัวเก็บประจุ
การผลิตคอมโพสิตและเสริมสร้างโครงสร้างและคุณสมบัติ

เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่ท่อนาโนคาร์บอนซึ่งไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะอุตสาหกรรมใดอุตสาหกรรมหนึ่งได้ถูกนำมาใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ วัสดุนี้มีตำแหน่งที่อ่อนแอในตลาดเนื่องจากมีปัญหากับการผลิตขนาดใหญ่ จุดสำคัญอีกประการหนึ่งคือท่อนาโนคาร์บอนมีราคาสูง ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 120 เหรียญสหรัฐต่อกรัมของสารดังกล่าว

พวกมันถูกใช้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานในการผลิตคอมโพสิตหลายชนิด ซึ่งใช้ในการผลิตสินค้ากีฬาหลายชนิด อุตสาหกรรมอีกประเภทหนึ่งคืออุตสาหกรรมยานยนต์ การทำงานของท่อนาโนคาร์บอนในพื้นที่นี้มาจากการให้คุณสมบัติการนำไฟฟ้าแก่โพลีเมอร์

ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของท่อนาโนค่อนข้างสูง ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นอุปกรณ์ทำความเย็นสำหรับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ต่างๆ นอกจากนี้ยังใช้ทำทิปที่ติดกับท่อโพรบอีกด้วย

ขอบเขตการใช้งานที่สำคัญที่สุดคือเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ต้องขอบคุณท่อนาโนที่ทำให้เกิดจอแบนโดยเฉพาะ คุณสามารถลดขนาดโดยรวมของคอมพิวเตอร์ได้อย่างมากรวมถึงเพิ่มประสิทธิภาพทางเทคนิคด้วย อุปกรณ์สำเร็จรูปจะเหนือกว่าเทคโนโลยีปัจจุบันหลายเท่า จากการศึกษาเหล่านี้ สามารถสร้างหลอดภาพไฟฟ้าแรงสูงได้

เมื่อเวลาผ่านไป หลอดเหล่านี้จะถูกนำมาใช้ไม่เพียงแต่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ยังใช้ในสาขาการแพทย์และพลังงานด้วย

การผลิต

ท่อคาร์บอนซึ่งการผลิตแบ่งออกเป็นสองประเภทมีการกระจายไม่เท่ากัน

นั่นคือ MWNT ผลิตได้มากกว่า SWNT มาก แบบที่ 2 ทำในกรณีจำเป็นเร่งด่วน บริษัทหลายแห่งผลิตท่อนาโนคาร์บอนอย่างต่อเนื่อง แต่ในทางปฏิบัติแล้วพวกเขาไม่ได้เป็นที่ต้องการเนื่องจากต้นทุนสูงเกินไป

ผู้นำด้านการผลิต

ปัจจุบันประเทศในเอเชียเป็นผู้นำในการผลิตท่อนาโนคาร์บอนซึ่งสูงกว่าประเทศอื่น ๆ ในยุโรปและอเมริกาถึง 3 เท่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ญี่ปุ่นมีส่วนร่วมในการผลิต MWNT แต่ประเทศอื่นๆ เช่น เกาหลีและจีน ก็ไม่ได้ด้อยกว่าในตัวบ่งชี้นี้แต่อย่างใด

การผลิตในรัสเซีย

การผลิตท่อนาโนคาร์บอนในประเทศยังล่าช้ากว่าประเทศอื่นๆ อย่างมาก ที่จริงแล้วทั้งหมดขึ้นอยู่กับคุณภาพของการวิจัยที่ดำเนินการในพื้นที่นี้ มีการจัดสรรทรัพยากรทางการเงินไม่เพียงพอสำหรับการสร้างศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในประเทศ การพัฒนานาโนเทคโนโลยีหลายๆ คนไม่ยอมรับ เนื่องจากไม่รู้ว่าจะสามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมได้อย่างไร ดังนั้นการเปลี่ยนผ่านเศรษฐกิจไปสู่เส้นทางใหม่จึงค่อนข้างยาก

ดังนั้นประธานาธิบดีรัสเซียจึงออกกฤษฎีการะบุเส้นทางการพัฒนาด้านนาโนเทคโนโลยีด้านต่างๆ รวมถึงองค์ประกอบของคาร์บอน เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้จึงมีการสร้างโปรแกรมการพัฒนาและเทคโนโลยีพิเศษขึ้นมา

เพื่อให้แน่ใจว่าทุกประเด็นของคำสั่งซื้อได้รับการดำเนินการ บริษัท Rusnanotech จึงถูกสร้างขึ้น มีการจัดสรรงบประมาณของรัฐจำนวนมากสำหรับการดำเนินงาน เธอคือผู้ที่ควรควบคุมกระบวนการพัฒนา การผลิต และการดำเนินการทางอุตสาหกรรมของท่อนาโนคาร์บอน เงินที่จัดสรรจะถูกใช้ในการสร้างสถาบันวิจัยและห้องปฏิบัติการต่างๆ และจะเสริมสร้างความเข้มแข็งให้กับงานที่มีอยู่ของนักวิทยาศาสตร์ในประเทศด้วย เงินทุนเหล่านี้จะนำไปใช้ในการซื้ออุปกรณ์คุณภาพสูงสำหรับการผลิตท่อนาโนคาร์บอน นอกจากนี้ยังควรดูแลอุปกรณ์เหล่านั้นที่จะปกป้องสุขภาพของมนุษย์เนื่องจากวัสดุนี้ทำให้เกิดโรคต่างๆ

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ปัญหาทั้งหมดคือการระดมทุน นักลงทุนส่วนใหญ่ไม่ต้องการลงทุนในการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะเป็นเวลานาน นักธุรกิจทุกคนต้องการเห็นผลกำไร แต่การพัฒนานาโนอาจต้องใช้เวลาหลายปี นี่คือสิ่งที่ขับไล่ตัวแทนของธุรกิจขนาดเล็กและขนาดกลาง นอกจากนี้ หากไม่มีการลงทุนจากภาครัฐ จะไม่สามารถเริ่มการผลิตวัสดุนาโนได้อย่างเต็มที่

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการขาดกรอบทางกฎหมาย เนื่องจากไม่มีความเชื่อมโยงระหว่างระดับธุรกิจที่แตกต่างกัน ดังนั้นท่อนาโนคาร์บอนซึ่งการผลิตที่ไม่เป็นที่ต้องการในรัสเซียไม่เพียงต้องการการเงินเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการลงทุนทางจิตด้วย จนถึงขณะนี้สหพันธรัฐรัสเซียยังห่างไกลจากประเทศในเอเชียที่เป็นผู้นำในการพัฒนานาโนเทคโนโลยี

ปัจจุบันการพัฒนาในอุตสาหกรรมนี้ดำเนินการที่คณะเคมีของมหาวิทยาลัยต่าง ๆ ในมอสโก, ตัมบอฟ, เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก, โนโวซีบีสค์และคาซาน ผู้ผลิตชั้นนำของท่อนาโนคาร์บอนคือบริษัท Granat และโรงงาน Tambov Komsomolets

ด้านบวกและด้านลบ

ข้อดีคือคุณสมบัติพิเศษของท่อนาโนคาร์บอน เป็นวัสดุที่ทนทานและไม่ยุบตัวภายใต้ความเค้นเชิงกล นอกจากนี้ยังทำงานได้ดีในการดัดและยืด สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ด้วยโครงสร้างเฟรมแบบปิด การใช้งานไม่ได้จำกัดอยู่เพียงอุตสาหกรรมเดียว หลอดเหล่านี้พบการใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์ อิเล็กทรอนิกส์ ยา และพลังงาน

ข้อเสียอย่างมากคือผลกระทบด้านลบต่อสุขภาพของมนุษย์

อนุภาคของท่อนาโนที่เข้าสู่ร่างกายมนุษย์ทำให้เกิดเนื้องอกและมะเร็งที่เป็นเนื้อร้าย

สิ่งสำคัญคือการจัดหาเงินทุนสำหรับอุตสาหกรรมนี้ หลายๆ คนไม่อยากลงทุนในวิทยาศาสตร์เพราะต้องใช้เวลามากในการทำกำไร และหากไม่มีห้องปฏิบัติการวิจัย การพัฒนานาโนเทคโนโลยีก็เป็นไปไม่ได้

บทสรุป

ท่อนาโนคาร์บอนมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรม ผู้เชี่ยวชาญหลายคนทำนายการเติบโตของอุตสาหกรรมนี้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ความสามารถในการผลิตจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญซึ่งจะทำให้ต้นทุนสินค้าลดลง ด้วยราคาที่ลดลง หลอดจะเป็นที่ต้องการอย่างมากและจะกลายเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้สำหรับอุปกรณ์และอุปกรณ์ต่างๆ

ดังนั้นเราจึงพบว่าผลิตภัณฑ์เหล่านี้คืออะไร

คำอธิบายประกอบ

เส้นใยโพลีเอทิลีนโพลีเมอร์ของเครื่องปฏิกรณ์

งานวิจัยนี้ได้พัฒนาวิธีการสำหรับเส้นใยคอมโพสิตที่หมุนด้วยเจลโดยใช้โพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (UHMWPE) ที่ดัดแปลงด้วยท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) ผงเครื่องปฏิกรณ์ UHMWPE ถูกใช้เป็นเมทริกซ์ ท่อนาโนคาร์บอนหลายชั้นถูกเลือกให้อยู่ในระยะเสริมความแข็งแกร่ง ตัวอย่างไฟเบอร์ได้มาจากการปั่นเจลจากสารละลาย UHMWPE พร้อมการยืดการวางแนวเพิ่มเติม

ในวิทยานิพนธ์นี้ การศึกษาผง UHMWPE ของเครื่องปฏิกรณ์เริ่มต้นของแบรนด์ต่างๆ ได้ดำเนินการโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน การวิเคราะห์เฟสรังสีเอกซ์ และวิธีการวัดค่าความร้อนด้วยการสแกนดิฟเฟอเรนเชียล จากการใช้ตัวอย่างเจลที่ใช้ UHMWPE ที่ได้รับ ได้ทำการศึกษาผลของตัวทำละลายต่อคุณสมบัติทางความร้อนของโพลีเมอร์ ศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของวัสดุโดยใช้ตัวอย่างเส้นใยที่ได้รับ การวิเคราะห์เปรียบเทียบผลของการแนะนำ CNT ต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและคุณสมบัติของเส้นใยที่ใช้ UHMWPE

งานคัดเลือกขั้นสุดท้ายมีทั้งหมด 106 หน้า ประกอบด้วยตาราง 18 ตาราง ตัวเลข 47 รายการ และรายชื่อแหล่งข้อมูลที่ใช้แล้ว 49 ชื่อเรื่อง

การแนะนำ

1.2.1 โครงสร้างของ UHMWPE
1.2.2 คุณสมบัติของ UHMWPE
1.2.3 การเตรียม UHMWPE

1.3 สถานะเจลของ UHMWPE
1.4 การเปลี่ยนแปลงลักษณะความแข็งแรงของด้ายเจล UHMWPE ระหว่างการยืดแบบตะวันออก
1.6 วิธีการศึกษาตัวอย่างโดยใช้ UHMWPE และ CNT

1.6.1 วิธีการวิจัยด้วยรังสีเอกซ์
1.6.2 ดิฟเฟอเรนเชียลสแกนนิงแคลอริเมทรี (DSC)
1.6.3 กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด
1.6.4 สเปกโทรสโกปีอินฟราเรด
1.6.5 ความหนืดแบบหมุน
1.6.6 วิธีการกำหนดคุณสมบัติความแข็งแรงจำเพาะของเส้นใย

2. วัตถุประสงค์และวิธีการวิจัย

2.1 แหล่งที่มาของวัสดุ
2.2 การเตรียมเส้นใยคอมโพสิตที่ใช้ UHMWPE โดยการขึ้นรูปด้วยเจล

2.2.1 การเตรียมเจลที่ใช้ UHMWPE และ CNT
2.2.2 การก่อตัวของเกลียวเจลตาม UHMWPE และ CNT
2.2.3 กระบวนการผลิตเส้นใยคอมโพสิตโดยใช้ UHMWPE และ CNTs

2.3 วิธีการศึกษาวัสดุผลลัพธ์

2.3.1 การวัดค่าความร้อนด้วยการสแกนดิฟเฟอเรนเชียล
2.3.2 กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด
2.3.3 สเปกโทรสโกปีอินฟราเรด
2.3.4 การวิเคราะห์เฟสรังสีเอกซ์
2.3.5 วิธีการศึกษาลักษณะกำลัง

3 ผลลัพธ์และการอภิปราย

3.1 การศึกษาผงเครื่องปฏิกรณ์ UHMWPE
3.2 การวิเคราะห์คุณสมบัติทางความร้อนของเจล ซีโรเจล และเส้นใยโดยใช้ UHMWPE
3.3 อิทธิพลของการวางแนวโครงสร้างต่อคุณสมบัติและโครงสร้างของเกลียวเจลที่ใช้ UHMWPE
3.4 การวิเคราะห์ลักษณะความแข็งแรงของเส้นใยคอมโพสิตที่ใช้ UHMWPE

4. ความปลอดภัยในชีวิต

4.1 การวิเคราะห์ปัจจัยการผลิตที่อาจเป็นอันตรายและเป็นอันตรายพร้อมกับการดำเนินการในส่วนทดลองของวิทยานิพนธ์
4.2 ลักษณะทางกายภาพและเคมีโดยย่อ ความเป็นพิษ อันตรายจากไฟไหม้และการระเบิดของวัสดุและสารที่ใช้และเกิดขึ้นในระหว่างการศึกษา
4.3 คุณลักษณะด้านสุขอนามัย สุขอนามัย และความปลอดภัยจากอัคคีภัยของห้องห้องปฏิบัติการ

4.3.1 ข้อกำหนดสำหรับการจัดวางสถานที่
4.3.2 ข้อกำหนดสำหรับปากน้ำขนาดเล็กในร่ม
4.3.3 ข้อกำหนดสำหรับแสงสว่างภายในห้อง

4.4 การพัฒนามาตรการป้องกันปัจจัยอันตรายและปัจจัยอันตราย

4.4.1 การคำนวณพารามิเตอร์การต่อลงดินของลูประยะไกล

4.5 ความปลอดภัยในชีวิตในสถานการณ์ฉุกเฉิน
4.6 การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม
4.7 บทสรุปหัวข้อ “ความปลอดภัยในชีวิต” และ “การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม”

5. เศรษฐศาสตร์และการจัดงานวิจัย

5.1 การศึกษาความเป็นไปได้ของงานวิจัย
5.2 แผนการวิจัยและจัดทำงานวิจัย
5.3 การคำนวณต้นทุนในการทำวิจัย

5.3.1 การคำนวณต้นทุนวัสดุพื้นฐาน
5.3.2 การคำนวณต้นทุนวัสดุเสริม
5.3.3 การคำนวณต้นทุนค่าจ้าง
5.3.4 การคำนวณต้นทุนค่าโสหุ้ย
5.3.5 การคำนวณต้นทุนค่าไฟฟ้า
5.3.6 การคำนวณค่าเสื่อมราคา

5.4 การคำนวณต้นทุนงานวิจัย
5.5 ผลกระทบทางเทคนิคและเศรษฐศาสตร์ของงานวิจัย
5.6 บทสรุปด้านเศรษฐกิจ

บทสรุป
รายชื่อวรรณกรรมที่ใช้แล้ว

การแนะนำ

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจำนวนมากทั่วโลกกำลังดิ้นรนเพื่อให้ได้เส้นใยสังเคราะห์ที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ เกณฑ์สำคัญประการหนึ่งที่ให้ข้อได้เปรียบคือการใช้วัสดุราคาถูกทั่วไป ดังนั้นโพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำซึ่งมีน้ำหนักโมเลกุลสูงจึงดึงดูดความสนใจอย่างมาก วัสดุนี้ผลิตในปริมาณมากและเป็นโพลีเมอร์ที่ได้รับการศึกษามาเป็นอย่างดี เกลียวที่ทำมาจากเส้นใยโพลีเมอร์นั้นแตกต่างอย่างมากจากเส้นใยโพลีเมอร์อื่นๆ ตรงที่มีการผสมผสานคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น ความแข็งแรงสูง ความแข็งแกร่ง ขาดการดูดซึมความชื้น ความหนาแน่นต่ำ ทนทานต่อสารเคมีสูง และทนต่อแรงกระแทก

ในขณะนี้ วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตเส้นใยโพลีเมอร์ดังกล่าวคือวิธีการปั่นแบบเจลด้วยการยืดเส้นใยเพิ่มเติม วิธีการนี้ได้รับการพัฒนาย้อนกลับไปในยุค 70 โดยนักวิจัยชาวดัตช์ Penning, Lemstra และ Smith เมื่อใช้วิธีนี้ เส้นใยจากโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (UHMWPE) จึงมีการผลิตแล้วในฮอลแลนด์ สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น ในรัสเซีย การวิจัยอย่างเข้มข้นกำลังดำเนินการในสาขานี้ในสถาบันเฉพาะทาง เช่น สถาบันวิจัยเส้นใยสังเคราะห์ทางวิทยาศาสตร์ All-Russian มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก เอ็มวี Lomonosov มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีการวิจัยแห่งชาติ "MISiS"

ข้อเสียของเส้นใย UHMWPE ได้แก่ การคืบคลานสูงภายใต้การรับน้ำหนักและโมดูลัสแรงเฉือนต่ำ การเสริมกำลังเมทริกซ์โพลีเมอร์ของเส้นใยด้วยท่อนาโนคาร์บอนที่ระดับการเติมต่ำจะลดการคืบของเส้นใยภายใต้ภาระได้อย่างมาก การวางแนวของโพลีเมอร์จะทำให้เกิดการวางแนวของฟิลเลอร์ซึ่งจะนำไปสู่คุณสมบัติแอนไอโซโทรปีและการปรับปรุงในทิศทางของการวางแนว

เนื่องจากคุณสมบัติดังกล่าว เส้นใยคอมโพสิตที่ใช้ UHMWPE จึงเป็นที่ต้องการในการใช้งานด้านต่างๆ: อุตสาหกรรมทางทหาร อุปกรณ์สำหรับการขนส่งสินค้า (เชือก เคเบิล สลิง) อวนและอุปกรณ์ตกปลา วัสดุสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและในสภาพแวดล้อมที่มี อุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ

ดังนั้นทั้งหมดข้างต้นช่วยให้เราสรุปได้ว่าการพัฒนาวิธีการผลิตเส้นใยประเภทนี้และการวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีกายภาพถือเป็นงานเร่งด่วนและสมเหตุสมผล

1. การทบทวนวรรณกรรมเชิงวิเคราะห์

1.1 แนวคิดของคำว่า “เส้นใยโพลีเมอร์ความแข็งแรงสูง”

หัวข้อหลักของการวิจัยคือเส้นใยคอมโพสิตที่มีความแข็งแรงสูง (HS) ซึ่งมีโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (UHMWPE) ดัดแปลงด้วยท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและทางกล เส้นใยเหล่านี้ผลิตขึ้นโดยการปั่นจากสารละลายโพลีเมอร์โดยใช้วิธีการปั่นแบบเจล

เป็นครั้งแรกที่แนวคิดที่ว่าบุคคลสามารถสร้างกระบวนการที่คล้ายกับกระบวนการผลิตไหมธรรมชาติ ซึ่งร่างกายของหนอนไหมผลิตของเหลวหนืดที่แข็งตัวในอากาศจนกลายเป็นเส้นไหมที่แข็งแรงและบางได้ถูกแสดงออกมาโดย นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส R. Reaumur ย้อนกลับไปในปี 1734

การผลิตเส้นใยเคมี (เทียม) แห่งแรกของโลกจัดขึ้นในฝรั่งเศสในเมืองเบอซองซงในปี พ.ศ. 2433 และขึ้นอยู่กับการประมวลผลสารละลายเซลลูโลสอีเทอร์

ตั้งแต่ทศวรรษ 1990 ถึงปัจจุบัน มีการพัฒนาสมัยใหม่ในด้านการผลิตเส้นใยเคมี การเกิดขึ้นของวิธีการดัดแปลงแบบใหม่ การสร้างเส้นใยขนาดใหญ่ชนิดใหม่: “เส้นใยแห่งอนาคต” หรือ “ เส้นใยแห่งรุ่นที่สี่” ซึ่งรวมถึงเส้นใยใหม่ที่ใช้วัตถุดิบจากพืชที่สามารถทำซ้ำได้ (ไลโอเซลล์ โพลีแลกไทด์) โมโนเมอร์และโพลีเมอร์ใหม่ที่ได้จากการสังเคราะห์ทางชีวเคมี และเส้นใยจากพวกมัน กำลังดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้หลักการใหม่สำหรับการผลิตโพลีเมอร์และเส้นใยโดยใช้วิธีพันธุวิศวกรรมและการเลียนแบบทางชีวภาพ

กว่าศตวรรษแห่งประวัติศาสตร์ของเส้นใยเคมี ความสำคัญในทางปฏิบัติสำหรับการผลิตวัสดุและผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นต่อการรับประกันชีวิตของผู้คน การพัฒนาเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์ กลายเป็นสิ่งที่ไม่อาจปฏิเสธได้ ได้แก่เสื้อผ้าและของใช้ในครัวเรือน ผลิตภัณฑ์กีฬาและการแพทย์ ตลอดจนสิ่งของอื่นๆ อีกมากมายที่รวมอยู่ในแวดวงของสิ่งสำคัญและในชีวิตประจำวัน การพัฒนาเทคโนโลยี การขนส่ง และการก่อสร้างเพิ่มเติมนั้นเป็นไปไม่ได้หากปราศจากการใช้วัสดุคอมโพสิตที่เป็นเส้นใย

ในบรรดาเส้นใยเคมีที่ใช้ในการผลิตวัสดุเส้นใยสำหรับใช้ในครัวเรือน เทคนิค สุขอนามัย การแพทย์ และวัตถุประสงค์อื่น ๆ สามารถแยกแยะได้หลายกลุ่ม:

เส้นใยและด้ายเอนกประสงค์ รวมถึงการดัดแปลง - ด้ายยางยืด - ด้ายที่มีความแข็งแรงสูง รวมถึงด้ายที่ได้จากการฟิบริลเลชันของฟิล์ม - เธรดโมดูลัสสูงที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ - เส้นใยและเส้นด้ายที่มีคุณสมบัติทางกายภาพ เคมีกายภาพ และเคมีจำเพาะ - ด้ายที่ผลิตด้วยวิธีไม่ทอ การปั่นแบบละลายโดยตรง

เส้นใยประเภทข้างต้นทั้งหมดหมายถึงผลิตภัณฑ์ประเภทที่มีน้ำหนักมาก ยกเว้นเส้นใยที่มีคุณสมบัติเฉพาะ

การสร้างเส้นใยที่มีคุณสมบัติเฉพาะถือเป็นทิศทางที่ดีในยุคของเรา เส้นใยโพลีเมอร์สังเคราะห์ใหม่ - เส้นใยรุ่นที่สาม การวิจัยเกี่ยวกับเส้นใยประเภทนี้เริ่มต้นเมื่อปลายศตวรรษที่ 20 และดำเนินต่อไปจนถึงทุกวันนี้ เนื่องจากคุณสมบัติของมัน ส่งผลให้เส้นใยรุ่นที่สามถูกนำมาใช้ทั้งในด้านดั้งเดิมและใหม่ (การบินและอวกาศ ยานยนต์ การขนส่งประเภทอื่น ยา กีฬา กองทัพ การก่อสร้าง) ขอบเขตการใช้งานเหล่านี้เพิ่มความต้องการคุณสมบัติทางกายภาพและทางกล ความต้านทานความร้อน ไฟไหม้ ชีวภาพ เคมี และรังสี การใช้งานต่างๆ ที่จำเป็นต้องใช้ไฟเบอร์รุ่นที่สามจะแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 - การใช้งานหลักของเส้นใยรุ่นที่สาม

การสร้างความสัมพันธ์ ความสัมพันธ์ระหว่างเหตุและผลระหว่างเคมี ฟิสิกส์ของเส้นใยและคุณสมบัติของเส้นใยนั้น ถือเป็นการสร้างเส้นใยรุ่นที่ 3 ที่มีคุณสมบัติที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และเหนือสิ่งอื่นใดคือ ความต้านทานแรงดึงสูง ความต้านทานการสึกหรอ การโค้งงอ แรงกด ความยืดหยุ่น ความร้อน และ ทนไฟ

ตัวชี้วัดความแข็งแรงสูงไม่เพียงแต่เกิดจากโครงสร้างทางเคมีเฉพาะของสายโซ่โพลีเมอร์ของโพลีเมอร์ที่สร้างเส้นใย (โพลีเอไมด์อะโรมาติก โพลีเบนโซซาโซล ฯลฯ) แต่ยังเนื่องมาจากโครงสร้างโมเลกุลด้านบนทางกายภาพที่ได้รับคำสั่งเป็นพิเศษ (การขึ้นรูปจากสถานะผลึกเหลว ) เนื่องจากมีน้ำหนักโมเลกุลสูง (พลังงานรวมของพันธะระหว่างโมเลกุลสูง) เช่นในกรณีของเส้นใยโพลีเอทิลีนชนิดใหม่

1.2 โพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษเป็นวัสดุเริ่มต้นในการผลิตเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูง

โพลีเอทิลีน (PE) ที่ผลิตที่ความดันต่ำ (HDPE) โดยมีน้ำหนักโมเลกุล 1-106 กรัมต่อโมลขึ้นไปเรียกว่าโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (UHMWPE) PE นี้มีคุณสมบัติทางกายภาพ ทางกล และทางเคมีสูงกว่าเกรด HDPE มาตรฐาน ทนต่อการสึกหรอ ความต้านทานต่อการแตกร้าวและแรงกระแทก ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ และความสามารถในการรักษาคุณสมบัติในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง: ตั้งแต่ลบ 200 ถึงบวก 100 o C เมื่อถูกความร้อนเหนือจุดหลอมเหลว UHMWPE จะไม่เปลี่ยนเป็นสถานะของเหลวหนืด ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับเทอร์โมพลาสติก แต่จะเปลี่ยนเป็นสถานะยืดหยุ่นสูงเท่านั้น เมื่อถูกความร้อนเหนือจุดหลอมเหลว UHMWPE จะไม่เปลี่ยนเป็นสถานะการไหลแบบหนืด ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับเทอร์โมพลาสติก แต่จะเปลี่ยนเป็นสถานะยืดหยุ่นสูงเท่านั้น

ในแง่ของความต้านทานการสึกหรอ UHMWPE เหนือกว่าเทอร์โมพลาสติกที่มีอยู่ทั้งหมด UHMWPE แตกต่างจากโพลีเมอร์อื่นๆ ตรงที่มีผลในการหล่อลื่นในตัวเอง ในระหว่างการทำงานในหน่วยเสียดสี UHMWPE จะสร้างฟิล์มถ่ายโอนบนส่วนที่ผสมพันธุ์ (ตัวเคาน์เตอร์) ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่น ต้องขอบคุณโพลีเมอร์ที่สามารถทำงานภายใต้สภาวะเสียดสีแห้ง จึงทำให้การทำงานของเครื่องราบรื่นและเงียบ

การสังเคราะห์ PE ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงสามารถทำได้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาออร์กาโนเมทัลลิก Ziegler-Natta ปฏิกิริยาของการเติบโตของสายโซ่ PE บนตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก ได้แก่ การประสานกันของโมโนเมอร์กับศูนย์การเติบโตแบบแอคทีฟ และการแทรกเข้าไปในพันธะ Me-C

1.2.1 โครงสร้างของ UHMWPE

โมเลกุล UHMWPE มีขนาดเส้นตรงขนาดใหญ่และมีกิ่งก้านหรือพันธะคู่จำนวนน้อย ซึ่งทำให้วัสดุสามารถทำงานได้ภายใต้สภาวะเสียดสีแห้งและในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ในทางกลับกัน เนื่องจากมีความยาวมาก การพันกันของโซ่โพลีเมอร์ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ซึ่งจะลดความสามารถในการตกผลึก การก่อตัวของผลึกที่แท้จริงนั้นสอดคล้องกับผลึกที่มีเซลล์ออร์โธฮอมบิกและโมโนคลินิก นอกจากนี้ยังพบสิ่งที่เรียกว่าเซลล์เทียมซึ่งอ้างถึงลำดับพอลิเมอร์ระดับกลาง สถานะขั้นกลางนี้ไม่มีความผิดปกติและพบได้ในสารประกอบน้ำหนักโมเลกุลสูงที่มีสายโซ่ยืดหยุ่นอื่นๆ อีกมากมาย

มีข้อมูลเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับโครงสร้างของส่วนประกอบที่ไม่ใช่ผลึกของ UHMWPE ซึ่งส่วนแบ่งสามารถเข้าถึง 50% ข้อมูลจำนวนหนึ่งที่อธิบายไว้ในงานนี้บ่งชี้ว่าบริเวณที่ไม่เป็นระเบียบ (อสัณฐาน) ของโพลีเมอร์ ซึ่งถูกจำกัดระหว่างผลึกที่อยู่ใกล้เคียงบนสายโซ่แบบพับ รวมถึงการพับแบบปกติของสายโซ่โพลีเมอร์ที่อยู่ติดกับปลายของผลึก เช่นเดียวกับการวนซ้ำและปลายที่ยาวไม่ปกติ ของโมเลกุลขนาดใหญ่

นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่เรียกว่าโซ่ผ่านจำนวนมาก ซึ่งเป็นส่วนของโมเลกุลขนาดใหญ่เดียวกันที่รวมอยู่ในผลึกใกล้เคียงสองชิ้นขึ้นไปพร้อมกัน สันนิษฐานว่าแม้ในบริเวณอสัณฐานโซ่ยังคงขนานกันในระยะทางสั้น ๆ แต่ไม่มีโครงตาข่ายสองมิติของศูนย์กลางโซ่ การจัดเรียงโมเลกุลขนาดใหญ่และลิงก์มีเพียงช่วงสั้นเท่านั้น

เมื่อน้ำหนักโมเลกุล (MM) ของโพลีเอทิลีนเพิ่มขึ้น โซ่ทรานซิชันเริ่มพันกัน ซึ่งเป็นผลมาจากความบกพร่องของส่วนประกอบทรานซิชันเพิ่มมากขึ้น

1.2.2 คุณสมบัติของ UHMWPE

UHMWPE เมื่อเทียบกับ PE ประเภทอื่นๆ ทั้งหมด มีความแข็งแรง ทนทานต่อแรงกระแทกและการแตกร้าวสูงสุด คุณสมบัติที่โดดเด่นของ UHMWPE คือความสามารถในการรักษาคุณลักษณะความแข็งแรงสูงในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง (ตั้งแต่ลบ 120 o C ถึงบวก 100 o C) นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าในระหว่างการตกผลึกของ PE จากการหลอม องค์ประกอบทั้งหมดของโครงสร้างซูปราโมเลกุลจะเชื่อมโยงถึงกันโดยโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ "ผ่าน"

นอกจากนี้ โพลีเมอร์จะมีนอตทางกายภาพจำนวนหนึ่งเสมอ (การประสานกันของโมเลกุล) ตามกฎแล้วตัวแรกและตัวที่สองจะเกิดขึ้นเนื่องจากมีโมเลกุลขนาดใหญ่ยาวอยู่ในพอลิเมอร์ โมเลกุลที่ผ่านของโพลีเมอร์ผลึกดั้งเดิมและหน่วยทางกายภาพจะถูกรักษาไว้เมื่อมีการดึง PE ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อแต่ละส่วนขององค์ประกอบของโครงสร้างซูปราโมเลกุลและกำหนดความแข็งแรงของพวกมัน เมื่อความยาวของโมเลกุลขนาดใหญ่และสัดส่วนของเศษส่วนโมเลกุลสูงของพอลิเมอร์เพิ่มขึ้น เนื้อหาของโมเลกุลที่ผ่านและหน่วยทางกายภาพจะเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้ จำนวนองค์ประกอบของโครงสร้างซูปราโมเลกุลที่เชื่อมต่อกันจึงเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน ส่งผลให้มีความแข็งแกร่ง ทนทานต่อแรงกระแทก และต้านทานการแตกร้าวของ UHMWPE เพิ่มขึ้น ที่อุณหภูมิต่ำ การเคลื่อนที่ของโมเลกุลขนาดใหญ่จะลดลง และบทบาทของแรงระหว่างโมเลกุลในการเพิ่มตัวบ่งชี้ข้างต้นจะเพิ่มขึ้น ความยาวของโมเลกุลขนาดใหญ่ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อความยาวของโมเลกุลขนาดใหญ่เพิ่มขึ้น การตกผลึกจะยากขึ้น ในขณะที่ระดับความเป็นผลึกของ PE และขนาดของผลึกจะลดลง

คำจำกัดความของ "ความแข็งแกร่งที่แท้จริง" คือ คำนวณสำหรับภาพตัดขวาง ณ เวลาที่ตัวอย่างแตก สำหรับ UHMWPE จะไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และอยู่ที่ 28.5 MPa ที่อุณหภูมิตั้งแต่ 60 ถึง 100°C สำหรับ HDPE มาตรฐาน "ความแข็งแกร่งที่แท้จริง" ลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น และที่อุณหภูมิ 100°C จะเท่ากับ 15.7 MPa

ที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ UHMWPE มีการยืดตัวที่จุดแตกหักสูงกว่า HDPE มาตรฐานอย่างมีนัยสำคัญ นั่นคือ UHMWPE เป็นโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นมากกว่า ดังนั้นจึงทนต่อความเย็นจัดได้มากกว่า ที่อุณหภูมิบวก รูปภาพจะเปลี่ยนไป UHMWPE จะมีความยืดหยุ่นน้อยลง ความต้านทานการสึกหรอของ UHMWPE เป็นสองเท่าของ HDPE แบรนด์อื่น ๆ UHMWPE มีความทนทานต่อแรงกระแทกสูง และไม่พังทลายที่อุณหภูมิต่ำถึง -100°C ที่อุณหภูมิต่ำกว่า (สูงถึง -180°C) แม้ว่าตัวอย่างทดสอบ UHMWPE จะถูกทำลาย แต่ค่าความต้านทานแรงกระแทกที่ค่อนข้างสูงจะยังคงอยู่ ความต้านทานแรงกระแทกเพิ่มขึ้นตามน้ำหนักโมเลกุลที่เพิ่มขึ้นของ UHMWPE เมื่อศึกษาการพึ่งพาอาศัยกันนี้ พบว่าความต้านทานแรงกระแทกเพิ่มขึ้นสำหรับ UHMWPE จนถึงน้ำหนักโมเลกุล (5-10) - 106 กรัม/โมล

ความแข็งแรงของผลผลิต ความแข็ง และโมดูลัสยืดหยุ่นที่อุณหภูมิห้อง สอดคล้องกับความหนาแน่นของ UHMWPE และต่ำกว่า HDPE มาตรฐานเล็กน้อย

ความเครียดจากความล้มเหลวในการรับแรงดึงของ UHMWPE ตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมดที่ศึกษานั้นสูงกว่าค่า HDPE มาตรฐานอย่างมาก

1.2.3 การเตรียม UHMWPE

การออกแบบฮาร์ดแวร์ของกระบวนการผลิต UHMWPE และรูปแบบเทคโนโลยีไม่แตกต่างจากการออกแบบฮาร์ดแวร์สำหรับการผลิต HDPE เกรดมาตรฐาน คุณลักษณะของการสังเคราะห์ UHMWPE อยู่ในวิธีการทางเทคโนโลยีบางอย่างที่รับรองการก่อตัวของห่วงโซ่ขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุล 1-106 กรัม/โมล และสูงกว่าในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของเอทิลีน ดังนั้นซัพพลายเออร์ UHMWPE แต่ละรายจึงผลิตผลิตภัณฑ์ตามวิธีการผลิต HDPE ดังนั้น ที่บริษัท Hoechst (เยอรมนี) และการผลิตในประเทศ UHMWPE จึงถูกผลิตขึ้นโดยวิธีการแขวนลอยโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ที่ดัดแปลง และที่บริษัท Phillips (สหรัฐอเมริกา) โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโครเมียมออกไซด์

กระบวนการเอทิลีนโพลีเมอไรเซชันโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยารองรับส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของสารรองรับ งานเปรียบเทียบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้จากการฝาก 15 TiCl4 บนแมกนีเซียมออกไซด์และอะลูมิโนซิลิเกต แสดงให้เห็นว่ากิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาบน MgO นั้นสูงกว่า 40 เท่าเมื่อเทียบกับ TiCl4 บริสุทธิ์ และบนตัวรองรับอะลูมิโนซิลิเกตนั้นสูงกว่าเพียง 3-4 เท่า แม้ว่าพื้นที่ผิวจำเพาะของตัวเร่งปฏิกิริยาบน Al203*aSi02 จะเป็น สูงกว่า MgO 6-8 เท่า สถานการณ์นี้บ่งชี้ว่าตัวพาไม่ได้เป็นเพียงสารตั้งต้นที่เพิ่มพื้นผิวการกระจายตัวของส่วนประกอบไทเทเนียมเท่านั้น แต่ยังมีส่วนร่วมในการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงซ้อนอีกด้วย

1.2.4 การใช้โพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงเป็นพิเศษ

คุณสมบัติทางสัณฐานวิทยาและโครงสร้างของ UHMWPE แตกต่างจากโพลีเมอร์อื่นๆ ทำให้เป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้ในการทำงานที่อุณหภูมิต่ำถึง -200 o C ความต้านทานการเสียดสีทำให้สามารถใช้วัสดุนี้ในแบริ่งกลิ้งและเลื่อนได้

ความสามารถในการหน่วงและคุณสมบัติยืดหยุ่นของ UHMWPE ทำให้สามารถใช้วัสดุที่มีพื้นฐานในด้านวิศวกรรมเครื่องกล เป็นปะเก็นและโช้คอัพได้

UHMWPE แพร่หลายในอุตสาหกรรมเคมีเนื่องจากมีความเฉื่อยกับรีเอเจนต์หลายชนิด

ใช้ในการผลิตภาชนะและอุปกรณ์สำหรับการขนส่งและการทำงานของสารเคมี UHMWPE เคลือบพื้นผิวด้านในของท่อส่งน้ำมันเพื่อป้องกันการกัดกร่อนและปรับปรุงแรงเสียดทานสำหรับการไหลของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมที่ท่อส่งน้ำมัน

เส้นใยโมดูลัสสูงที่มีอัตราการยืดตัวสูงได้มาจากเจล UHMWPE เส้นใยประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในกิจการทหาร การต่อเรือ อุปกรณ์ยึดและขนส่งสินค้าต่างๆ อุตสาหกรรมสิ่งทอ และการเกษตร

วัสดุคอมโพสิตที่ใช้ UHMWPE หลายประเภทถูกนำมาใช้เป็นวัสดุโครงสร้าง

วัสดุเหล่านี้ใช้ในเทคโนโลยีการบิน อวกาศ และการต่อเรือ

1.3 สถานะเจลของ UHMWPE

UHMWPE ผลิตในสถานะเจลโดยการละลายผงเครื่องปฏิกรณ์ในตัวทำละลายอินทรีย์ เมื่อสารละลายเย็นลงถึงอุณหภูมิห้อง เจลจะเริ่มแยกตัวออกจากสารละลาย และผลักตัวทำละลายออกจากปริมาตร

1.3.1 แนวคิดเรื่องเจลและแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับเจลโพลีเมอร์

เจลโพลีเมอร์ถือเป็นผลิตภัณฑ์โพลีคอนเดนเซชันหรือโพลีเมอไรเซชันที่ละลายได้และไม่ละลายน้ำ (เครือข่ายโพลีเมอร์) จุดที่ส่วนผสมของปฏิกิริยาสูญเสียความลื่นไหลเนื่องจากการเชื่อมโยงข้ามของโซ่โพลีเมอร์ที่กำลังเติบโตเรียกว่าจุดเจลหรือจุดเจล

เจลเรียกอีกอย่างว่าโพลีเมอร์เชิงเส้นเชื่อมขวางที่พองตัวในตัวทำละลายและสารละลายของโพลีเมอร์ที่สูญเสียความลื่นไหลเนื่องจากลักษณะของโครงข่ายโมเลกุลเชิงพื้นที่ที่ถูกทำให้เสถียรด้วยพันธะเคมีหรือไฮโดรเจน หรือเป็นผลมาจากอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล

คุณลักษณะภายนอกที่ทำให้เจลแตกต่างจากของเหลวคือความสามารถในการรักษารูปร่าง ซึ่งทำได้ในเจลโพลีเมอร์ด้วยเครือข่ายโมเลกุลขนาดใหญ่ที่แทรกซึมเข้าไปในตัวทำละลาย ความแข็งแรงและความหนาแน่นของโครงข่ายเชิงพื้นที่ไม่เพียงกำหนดคุณสมบัติของเจลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลิตภัณฑ์แปรรูปด้วย ซึ่งรวมถึงเส้นใย วัสดุที่มีรูพรุน เมมเบรน และตัวดูดซับต่างๆ ข้อดีของเจลโพลีเมอร์เหนือการหลอมเหลวและสารละลายคือความสามารถในการสร้างเครือข่ายหายากที่มีความเสถียรในวัสดุชิ้นงาน

เจลสามารถปรากฏในรูปแบบของตะกอนหลวมที่แยกจากกันหรือก่อตัวตลอดปริมาตรทั้งหมดของระบบของเหลวเริ่มแรกโดยไม่รบกวนความเป็นเนื้อเดียวกัน เจลที่มีตัวกลางในการกระจายตัวของน้ำเรียกว่าไฮโดรเจล และเจลที่มีตัวกลางในการกระจายตัวของไฮโดรคาร์บอนเรียกว่าออร์กาโนเจล เจลประกอบด้วยเฟสของแข็งและของเหลว และมีลักษณะเป็นเจลกึ่งแข็ง นี่คือสถานะที่มีความหนาแน่นและในเวลาเดียวกันซึ่งไม่มีรูปร่างที่มั่นคง - ของเหลวที่มีกรอบของสารที่ขึ้นรูปเป็นเยลลี่

เจลเป็นระบบที่เชื่อมโยงกันด้วยหน่วยผลึกต่างจากระบบเชื่อมโยงข้ามทางเคมี ระบบดังกล่าวมีลักษณะเป็นมหภาคและคลี่คลายได้ง่าย ความสามารถในการคลี่คลายระบบโมเลกุลขนาดใหญ่ของเจลบ่งบอกถึงคุณสมบัติการหมุนของมัน ยิ่งคลายระบบได้ง่ายเท่าไร ก็ยิ่งง่ายขึ้นเท่านั้นที่จะปรับทิศทางไปในทิศทางที่แน่นอน

โครงสร้างทั่วไปของเจลแสดงในรูปที่ 2 มันถูกแสดงโดยเครือข่ายเชิงพื้นที่ของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่พันกัน ในทางกลับกันก็สร้างจุดผูกพันระหว่างกัน ห่วง และปลายห้อย

รูปที่ 2 - แผนผังของเครือข่ายเชิงพื้นที่เหนือโมเลกุลของการพันกันของโพลีเมอร์เจล

ธรรมชาติของจุดเชื่อมต่อระหว่างโมเลกุลขนาดใหญ่อาจแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น:

ก) พันธะเคมีที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเชื่อมโยงข้าม หากมีพันธะดังกล่าวน้อย พอลิเมอร์ก็จะพองตัวในตัวทำละลายที่เหมาะสมและเกิดเป็นเจล

b) พันธะระหว่างโมเลกุล แต่เฉพาะในกรณีที่พวกมันแข็งแกร่งมากจนพลังงานของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโพลีเมอร์กับตัวทำละลายไม่เพียงพอที่จะทำลายพวกมัน

c) การเชื่อมต่อระหว่างไอออนที่มีอยู่ในสารละลายโพลีเมอร์

d) การเชื่อมต่อระหว่างสายโซ่โพลีเมอร์และอนุภาคของสารตัวเติมที่มีฤทธิ์กระจายตัวสูงที่ใส่เข้าไปในสารละลาย

ปัจจุบันเจลมีหลายประเภท ตัวอย่างเช่น เจลสามารถแยกออกจากกันได้โดยขึ้นอยู่กับความสามารถในการกลับตัวของอุณหภูมิได้

ในส่วนหนึ่งของงานนี้ จะมีการศึกษาเจลที่เกิดขึ้นระหว่างการบวมของโมเลกุลขนาดใหญ่ UHMWPE เครือข่ายเชิงพื้นที่ - เฟรม - ของเจลดังกล่าวประกอบด้วยส่วนของโซ่โมเลกุลที่ตั้งอยู่ระหว่างจุดหมั้นของโมเลกุลขนาดใหญ่ (ปม)

1.3.2 คุณสมบัติของโซลูชันที่ใช้ UHMWPE

คุณสมบัติหลักของโซลูชัน UHMWPE ถือได้ว่าเป็นเครือข่ายของการพันกันของโมเลกุลขนาดใหญ่ ตาข่ายดังกล่าวประกอบด้วยเกียร์สองประเภท: เสถียรและมีอายุสั้น กระบวนการสร้างโครงสร้างจะกำหนดความซับซ้อนของคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของระบบผลลัพธ์

จำนวนสิ่งพันกันในสารละลายถูกกำหนดโดยความเข้มข้นเชิงปริมาตรของโพลีเมอร์ หากความเข้มข้นนี้น้อยกว่าค่าวิกฤต ทรงกลมประสานงานของโมเลกุลขนาดใหญ่จะไม่ทับซ้อนกัน และจะไม่มีการพันกันใดๆ เลย

ในบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงกว่า สารละลายจะมี "โครงสร้าง" ซึ่งแสดงออกมาในพฤติกรรมหยุ่นหนืด ในกรณีนี้ การจัดโครงสร้างไม่ได้เป็นผลมาจากการละลายโพลีเมอร์ที่ไม่สมบูรณ์ แต่ถูกกำหนดโดยการมีเครือข่ายการติดต่อระหว่างโมเลกุลที่พัฒนาแล้ว ด้วยการเพิ่มความเข้มข้นและน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ที่ละลายรวมถึงกระบวนการผสมสารละลายที่เข้มข้นขึ้นผลกระทบที่ระบุจะรุนแรงขึ้นซึ่งเกิดขึ้นตามผู้เขียนงานไม่เพียงเพิ่มขึ้นเท่านั้น ในจำนวนของสิ่งกีดขวางของแมโครเชน แต่ยังโดยการสร้างการก่อตัวของโมเลกุล (ตัวร่วม) ที่เสถียรพร้อมเวลาผ่อนคลายที่ยาวนาน

งานวิจัยนี้จะกล่าวถึงผลกระทบของการกวนต่อโครงสร้างของสารละลาย UHMWPE ที่มีความเข้มข้นต่ำในไซลีน พบว่าในระยะเริ่มแรกของการผสมความหนืดของสารละลายจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยแล้วจึงถึงระดับคงที่ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดเจนในโครงสร้างของโซลูชัน หลังจากเย็นตัวลงแล้วจะไม่ใช่เจลเสาหินที่ก่อตัวขึ้น แต่เป็นสารแขวนลอยที่มีเมฆมากของผลึกที่เชื่อมต่อถึงกันอย่างอ่อน ในระหว่างการผสมเพิ่มเติม ความหนืดจะเปลี่ยนไปอย่างมาก ขั้นแรกจะเพิ่มขึ้นแล้วจึงลดลง เป็นที่ยอมรับกันว่าเมื่อความหนืดใกล้เคียงกับค่าสูงสุด สารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำซึ่งอยู่ภายใต้การเปลี่ยนรูปแบบแรงเฉือนที่รุนแรงเพียงพอจะกลายเป็น "มีโครงสร้าง" และหลังจากเย็นตัวลงจะผ่านเข้าสู่สถานะของเจลด้วย "ชิชเคบับ" ” สัณฐานวิทยาประเภท สาเหตุของผลกระทบนี้ตามที่ได้กำหนดไว้ในงานนี้ก็คือ การดูดซับของโซ่โพลีเมอร์บนพื้นผิวด้านในของกระบอกสูบที่อยู่นิ่งและพื้นผิวด้านนอกของโรเตอร์ที่กำลังหมุน ในระหว่างกระบวนการดูดซับ โมเลกุลขนาดใหญ่ UHMWPE ที่ถูกยืดออกบางส่วนจะก่อให้เกิดการเชื่อมโยงที่มั่นคงและพันกัน ทำให้เกิดเป็นชั้นตาข่ายที่ขยายผ่านช่องว่างวงแหวนของเครื่องวัดความหนืด ทั้งหมดนี้มีส่วนทำให้ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นและความหนืดของระบบเพิ่มขึ้นตามลำดับ เป็นผลให้ขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่กระทำต่อชั้นตาข่ายที่ดูดซับจะสูงมากจนนำไปสู่การทำลายเป็นอนุภาคที่ไม่เชื่อมต่อกันแต่ละตัวซึ่งมีการกระจายเท่า ๆ กันตลอดทั้งปริมาตร

1.3.3 คุณสมบัติของเจลที่ใช้ UHMWPE

สำหรับโพลีเมอร์สังเคราะห์ กระบวนการผลิตจำนวนมากและกระบวนการแปรรูปบางส่วนมีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนผ่านสถานะการเกิดเจล การเปลี่ยนมาใช้เทคโนโลยีเจลนี้ไม่ได้ดำเนินการโดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของตัวทำละลาย แต่โดยการลดอุณหภูมิของสารละลายลง ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของเจล

สัณฐานวิทยาของเจลขึ้นอยู่กับประวัติความร้อนและรีโอโลยีของสารละลาย เพื่อป้องกันการก่อตัวของโครงสร้างประเภทชิชเคบับ จะต้องได้เจลจากสารละลายที่สงบและมีอุณหภูมิที่อุณหภูมิสูง

ตามแนวคิดที่กำหนดไว้ในงานเจลที่ได้รับภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวคือระบบตาข่ายที่เต็มไปด้วยตัวทำละลายซึ่งโหนดนั้นเป็นผลึกลาเมลลาร์ (ลาเมลลา) ซึ่งเชื่อมต่อถึงกันด้วยส่วนที่ไม่ตกผลึกของโมเลกุลขนาดใหญ่ ระนาบพับของโซ่ในคริสตัลมีความสมบูรณ์แบบน้อยกว่าในผลึกเดี่ยวที่เติบโตจากสารละลายเจือจางของ PE เชิงเส้น ในกรณีนี้ การตกผลึกของ UHMWPE จะไม่เกิดขึ้นทั้งหมด

นอกจากนี้ งานวิจัยยังนำเสนอผลการศึกษาเจล UHMWPE โดยใช้การวัดค่าความร้อนด้วยการสแกนแบบดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งแสดงให้เห็นการพึ่งพาการก่อตัวของโครงสร้างผลึกของเจลกับความเข้มข้นของตัวทำละลาย ความเข้มข้นของตัวทำละลายที่ลดลงในเจลทำให้กระบวนการตกผลึกของโมเลกุลขนาดใหญ่ดำเนินต่อไป ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของตัวทำละลายในเส้นใยเจล ต้องเลือกอุณหภูมิที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่ามีเครือข่ายการเชื่อมต่อที่เหมาะสมที่สุด เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเครียดมากเกินไปในแต่ละส่วนของโมเลกุลขนาดใหญ่ในแต่ละขั้นตอนของการวางแนวของโครงสร้างเส้นใยเจล

1.4 การเปลี่ยนแปลงลักษณะความแข็งแรงของเกลียวเจล UHMWPE ระหว่างการยืดแบบตะวันออก

งานวิจัยนี้ได้ศึกษาการพึ่งพาลักษณะความแข็งแรงของเส้นใย UHMWPE ที่ได้จากการหมุนด้วยเจลในอัตราส่วนการดึง ข้อมูลที่ได้รับในการศึกษานี้แสดงไว้ในตารางที่ 1

รูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าในระยะเริ่มต้นของการวางแนวมีความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญจนถึงอัตราส่วนส่วนขยาย l? 30. ค่าความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้นจาก 0.21 เป็น 2.40 GPa หลังจากถึง 30 เท่าของฝากระโปรงและถึงลิตรแล้ว? การเติบโตของความแข็งแกร่ง 64 ลดลง ในขั้นตอนสุดท้ายความแรงจะเพิ่มขึ้นอีกครั้งและที่ l? 81 กลายเป็นสูงสุด - 3.73 GPa

ตารางที่ 1 - ลักษณะความแข็งแรงของเส้นใยเจล UHMWPE

รูปที่ 3 - ความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งแรง (1) และโมดูลัสยืดหยุ่น (2)

ตามรูปที่ 3 เมื่อเพิ่มหลายหลากของการยืด โมดูลัสยืดหยุ่น E ของเส้นใยเจล UHMWPE ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน (เส้นโค้ง 2) อย่างไรก็ตามควรสังเกตว่าลักษณะของการเปลี่ยนแปลงใน E นั้นแตกต่างจากนั้นในเรื่องความแข็งแกร่ง: การเพิ่มขึ้นของ E ที่จุดเริ่มต้นของการวาดค่อนข้างช้ากว่า (สูงถึง l? 14.4) ในช่วงหลายหลากตั้งแต่ 14.4 ถึง 30 จะพบว่าโมดูลัสยืดหยุ่นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ พลวัตของการเปลี่ยนแปลงใน E นั้นคล้ายคลึงกับความแข็งแกร่ง

จากภาพไมโครอิมเมจที่แสดงในรูปที่ 4 ซึ่งได้จากการใช้ SEM เห็นได้ชัดว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยลดลงตามการยืดหลายหลากที่เพิ่มขึ้น

รูปที่ 4 - ภาพไมโคร SEM ของตัวอย่างไฟเบอร์ UHMWPE ที่มีอัตราส่วนการยืดต่างกัน: 9.0 (a) และ 59.1 (b)

ในระยะเริ่มแรกของการยืดตัว เป็นไปไม่ได้ที่จะแยกแยะเส้นใยแต่ละเส้นในเส้นใยที่กำลังศึกษาอยู่ ในขณะที่เมื่อมันโตขึ้น เส้นใยจะเกิดไฟบริลไลซ์ (แบ่งออกเป็นเส้นใยแต่ละเส้น)

1.4.1 เส้นใย UHMWPE ประสิทธิภาพสูง

ตลาดทั่วโลกสำหรับเส้นใยและผลิตภัณฑ์โพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (UHMWPE) และผลิตภัณฑ์ที่ทำจากเส้นใยเหล่านี้มีการเติบโตที่ 25% ต่อปี การผลิตวัสดุคอมโพสิตโพลีเมอร์เส้นใยจากเส้นใย UHMWPE ผ้า และวัสดุไม่ทอจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในตลาด ในบรรดาเส้นใยที่รู้จักทั้งหมด เส้นใย UHMWPE เป็นเส้นใยที่เบาที่สุด และในแง่ของคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลต่อหน่วยน้ำหนัก เส้นใยเหล่านี้เหนือกว่าวัสดุที่ใช้แล้วจำนวนมาก ทำให้สามารถได้รับวัสดุคอมโพสิตโพลีเมอร์ (PCM) น้ำหนักเบาเป็นพิเศษและมีความแข็งแรงสูงจากเส้นใย UHMWPE ซึ่งมีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมสิ่งทอ แสง ยานยนต์ การบินและอวกาศ การบินไร้คนขับ และการบินเชิงพาณิชย์ ลักษณะเฉพาะที่สูงขึ้นของวัสดุดังกล่าวทำให้สามารถลดน้ำหนักของผลิตภัณฑ์และลดภาระต่อสิ่งแวดล้อมต่อสิ่งแวดล้อม ลดการปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ และลดต้นทุนด้านพลังงานและการใช้เชื้อเพลิง

ความสนใจในเส้นใย UHMWPE และวัสดุคอมโพสิตโพลีเมอร์ (PCM) ที่เสริมด้วยเส้นใยเหล่านี้ยังเกี่ยวข้องกับความต้านทานแรงกระแทกสูงและคุณสมบัติไดอิเล็กตริกที่เป็นเอกลักษณ์ของเส้นใย ผลเชิงบวกของอัตราความเครียดต่อความแข็งแรงของพวกมัน ความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ สารเคมี และชีวภาพ ความเฉื่อยตลอดจนค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำมาก

ปัจจุบัน ในต่างประเทศ เส้นใยที่ทำจากโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (เส้นใย UHMWPE) และวัสดุที่ทำจากเส้นใยดังกล่าว ใช้เป็นวัสดุสำหรับการป้องกันขีปนาวุธ (เสื้อเกราะ หมวกกันน็อค การป้องกันเครื่องบิน และยานเกราะ) สำหรับการผลิตเสื้อผ้าที่ปกป้อง คนงานจากการตัดและเจาะ เช่นเดียวกับวัสดุสำหรับการผลิตเชือกลากจูง สายเคเบิล สลิงบรรทุกสินค้า อวนจับปลา และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ทั้งหมด

ในขณะนี้ ตัวอย่างที่ดีที่สุดของเส้นใย UHMWPE ซึ่งมีลักษณะเฉพาะที่เหนือกว่าเส้นใยอะรามิด มีความต้านทานแรงดึง 3.3-3.9 GPa ซึ่งเป็นโมดูลัสยืดหยุ่น 110-140 GPa โดยมีการยืดตัว 3-4% ซึ่ง คือประมาณ 10% ของค่าที่เป็นไปได้ทางทฤษฎี ซึ่งคำนวณจากความแข็งแรงของพันธะ C-C ในโมเลกุล UHMWPE เพื่อให้บรรลุคุณสมบัติความแข็งแรงสูงในเส้นใย UHMWPE จำเป็นต้องมีการวางแนวโมเลกุลในทิศทางของการวาดเส้นใยในระดับสูง ขณะเดียวกันก็รับประกันความเป็นผลึกในระดับสูง การบรรลุสถานะนี้ใน UHMWPE เป็นปัญหาที่ยาก เนื่องจากโมเลกุลเคลื่อนที่ได้ต่ำ ส่งผลให้โพลีเมอร์มีความหนืดสูง ซึ่งไม่เข้าสู่สถานะของเหลวเมื่อหลอมละลาย ในกรณีนี้ เมื่อ UHMWPE แบบปรับทิศทางล่วงหน้าถูกหลอมใหม่ ระดับความเป็นผลึกจะลดลงอย่างมาก ดังนั้นกระบวนการรับเส้นใยจึงต้องเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของโพลีเมอร์ เพื่อให้แน่ใจว่าโมเลกุล UHMWPE มีการวางแนวตามที่ต้องการและเพิ่มความคล่องตัว จึงใช้เทคโนโลยีเจล เพื่อให้ได้เจล UHMWPE ต้องใช้ดีคาลิน ไซลีน และน้ำมันพาราฟิน ในเวลาเดียวกันไม่มีข้อมูลที่เป็นระบบเกี่ยวกับอิทธิพลของเงื่อนไขในการได้รับเจลเงื่อนไขสำหรับการแปรรูปเป็นเส้นใยและความสัมพันธ์ระหว่างระดับของการยืดแบบตะวันออกโครงสร้างของเส้นใยและสารตั้งต้นในวรรณกรรมเปิด

1.5 ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) เป็นตัวดัดแปลงสำหรับเส้นใย UHMWPE

เนื่องจากการพัฒนาอย่างรวดเร็วของนาโนเทคโนโลยี รวมถึงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ ปัจจุบัน CNT จึงเป็นหนึ่งในวัตถุที่มีการศึกษามากที่สุด พวกมันคือระนาบกราฟีนที่ถูกรีดเป็นทรงกระบอก เมื่อผนังของท่อถูกสร้างขึ้นโดยทรงกระบอกหนึ่ง พวกมันพูดถึงท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (SWNT) แต่เมื่อผนังมีกระบอกสูบหลายกระบอกหรือหลายกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันซ้อนกันอยู่ข้างใน ท่อนาโนนั้นเรียกว่าท่อนาโนที่มีผนังหลายชั้น (MWNT)

1.5.1 คุณสมบัติและการประยุกต์ของ CNT

เช่นเดียวกับวัตถุระดับนาโนอื่นๆ คุณสมบัติของ CNT โดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับขนาดของมัน นอกจากนี้ สัดส่วนที่สำคัญของอะตอมในกรณีนี้คือพื้นผิว ซึ่งเป็นตัวกำหนดกิจกรรมทางเคมีของท่อนาโน ดังนั้นพวกมันจึงมีคุณสมบัติที่แตกต่างจากไมโครและมาโครบอดี ซึ่งจำเป็นสำหรับกระบวนการหลายอย่างเมื่อสถานะและจำนวนอะตอมของพื้นผิวเป็นหนึ่งในปัจจัยกำหนด

ท่อนาโนในอุดมคติคือทรงกระบอกที่ผลิตขึ้นโดยการรีดเครือข่ายกราไฟท์หกเหลี่ยมแบนได้อย่างราบรื่น แบบจำลองแสดงไว้ในรูปที่ 5

รูปที่ 5 - แบบจำลองของท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว

การวางแนวร่วมกันของโครงข่ายกราไฟท์หกเหลี่ยมและแกนตามยาวของท่อนาโนจะกำหนดลักษณะโครงสร้างที่สำคัญมากของท่อนาโน - ไคราลิตี Chirality มีลักษณะเป็นจำนวนเต็มสองตัว (m, n) ซึ่งระบุตำแหน่งของรูปหกเหลี่ยมของตารางซึ่งเป็นผลมาจากการพับควรตรงกับรูปหกเหลี่ยมที่อยู่ที่จุดเริ่มต้น chirality ของท่อนาโนยังสามารถกำหนดและกำหนดโดยมุมที่เกิดขึ้นจากทิศทางการพับของท่อนาโนและทิศทางที่รูปหกเหลี่ยมที่อยู่ติดกันมีด้านร่วมกัน มีตัวเลือกมากมายสำหรับการพับ CNT แต่ในบรรดาตัวเลือกเหล่านั้น ตัวเลือกที่ไม่ส่งผลให้โครงสร้างของเครือข่ายหกเหลี่ยมมีความโดดเด่น ทิศทางเหล่านี้สอดคล้องกับมุม a = 00 และ a = 300 ซึ่งสอดคล้องกับ chirality (m,0) และ (2m,n) รูปที่ 6 แสดงไมโครอิมเมจแรกของ CNT ที่ได้รับ ย้อนหลังไปถึงปี 1992

รูปที่ 6 - ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของ CNT โคแอกเซียลหลายชั้นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในและภายนอกต่างกัน

ขอบเขตการใช้งานของ CNT นั้นกว้างมาก สำหรับชีวเคมี สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือการทำงานของพื้นผิว CNT ด้วยสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพและชีวโมเลกุล เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว MWCNT จึงสามารถเจาะเข้าไปในเซลล์ที่มีชีวิตได้เองผ่านชั้นบิลิพิดของเมมเบรน มันเป็นไปได้ที่จะจัดการโมเลกุลภายในเซลล์ สร้างโครงข่ายประสาทเทียม การถ่ายโอนนาโนของสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพเข้าสู่ร่างกาย ฯลฯ

นอกจากนี้ ควรสังเกตถึงความแข็งแกร่ง ความแข็งแรง และความยืดหยุ่นสูงของ MWCNT ซึ่งรองรับการสร้างวัสดุคอมโพสิตใหม่โดยใช้วัสดุเหล่านี้ และคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและการปล่อยแสงที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับโครงสร้างของท่อนาโน ขึ้นอยู่กับวิธีการรีดชั้นกราไฟท์ลงในกระบอกสูบ CNT อาจมีคุณสมบัติเป็นโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การนำ CNT เข้าสู่เมทริกซ์โพลีเมอร์สามารถทำให้ได้วัสดุโพลีเมอร์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าซึ่งยังมีการปรับปรุงคุณสมบัติทางกลเมื่อเทียบกับโพลีเมอร์บริสุทธิ์อีกด้วย

1.5.2 ผลกระทบของ CNT ต่อโครงสร้างและคุณสมบัติของเส้นใย UHMWPE VP ที่เกิดขึ้น

งานจากต่างประเทศสังเกตว่าการเติมวัสดุโพลีเมอร์ครั้งแรกด้วย CNT ก่อนการวางแนวครั้งต่อไปเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มคุณสมบัติเชิงกล ซึ่งทำได้โดยการกระจายตัวของฟิลเลอร์เพิ่มเติม การผสานรวมที่ลึกเข้าไปในสายโซ่โพลีเมอร์ และการปรับปรุงปฏิสัมพันธ์ระหว่างฟิลเลอร์และเมทริกซ์ . การวางแนวของโพลีเมอร์ทำให้เกิดการวางแนวของฟิลเลอร์ ซึ่งนำไปสู่คุณสมบัติแอนไอโซโทรปีและการเพิ่มประสิทธิภาพในทิศทางเดียว

ปัจจุบัน การพัฒนาอยู่ระหว่างดำเนินการเพื่อผลิตเส้นใยคอมโพสิตที่ใช้ UHMWPE ซึ่งเสริมด้วยสารตัวเติมแบบกระจาย รวมถึง CNT เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพ ทางกล และสมรรถนะ

ผลกระทบของ CNT ต่อโมดูลัสยืดหยุ่นในนาโนคอมโพสิตเชิงมีพฤติกรรมที่ซับซ้อน หากในกรณีของนาโนคอมโพสิตแบบไอโซโทรปิก เมื่อเติมด้วย CNT จะพบว่าโมดูลัสยืดหยุ่นเพิ่มขึ้น ดังนั้นในนาโนคอมโพสิตแบบมุ่งเน้น โมดูลัสยืดหยุ่นสามารถลดลง คงเดิม หรือเพิ่มขึ้นเมื่อมีการนำ CNT มาใช้ ในงาน การลดลงของโมดูลัสยืดหยุ่นอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่า MWCNT ป้องกันการวางแนวของสายโซ่โพลีเมอร์ UHMWPE ดังนั้น โครงสร้างเชิงของนาโนคอมโพสิตที่มีอัตราส่วนการดึง l = 100 จึงสอดคล้องกับโครงสร้างเชิงของโพลีเมอร์ที่ไม่ได้บรรจุด้วยอัตราส่วนการดึง l = 25 ในการทำงาน โมดูลัสยืดหยุ่นสำหรับเส้นใยที่ได้รับทั้งหมดมีค่ามากกว่า 20 GPa และผู้เขียนงานตั้งข้อสังเกตว่าด้วยโมดูลัสยืดหยุ่นสูง CNT ไม่สามารถช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งเพิ่มเติมได้ เว้นแต่ว่าพวกมันจะหันไปในทิศทางของแกนเส้นใยอย่างสมบูรณ์และกระจายออกเป็นท่อนาโนแต่ละท่อ ในงานต่อมา นักวิจัยกลุ่มเดียวกันนี้ประสบความสำเร็จในการเพิ่มขึ้นอย่างมากในโมดูลัสยืดหยุ่นเป็น 136.8 GPa ด้วยการแนะนำเศษส่วนมวล 0.05 ของ MWCNT โดยการปรับปรุงเทคโนโลยีการผสมและการวางแนวของเส้นใย

งานนี้ได้พิสูจน์ให้เห็นว่าการเติม CNT ในช่วงที่มีระดับการบรรจุต่ำสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางความร้อน ไฟฟ้า และทางกลได้อย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากโครงสร้างคล้ายกราไฟท์

ผลลัพธ์ที่ได้จากงานนี้บ่งชี้ว่าท่อนาโนคาร์บอนมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในเส้นใย UHMWPE และก่อให้เกิดพันธะอันแน่นแฟ้นกับเส้นใยระหว่างการตกผลึกจากสารละลาย คุณสมบัติทางกลและทางความร้อนของวัสดุที่ได้จากสารละลายดังกล่าวมีตัวบ่งชี้ที่สูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่คล้ายกันของ UHMWPE ที่ยังไม่ได้บรรจุ นอกจากนี้ยังสรุปได้ว่าเมื่อเติม MWCNTs ในระดับที่มากกว่า 0.06 ส่วนโดยน้ำหนัก การปรับปรุงคุณสมบัติทางกลไม่มีนัยสำคัญเท่ากับที่ความเข้มข้นของสารตัวเติมลดลง จากนี้ เช่นเดียวกับจากข้อมูลที่นำเสนอในงานที่คล้ายกัน ระดับที่เหมาะสมของการเติม UHMWPE ด้วยท่อนาโนคาร์บอนอยู่ในช่วง 0.001 ถึง 0.05 เศษส่วนของมวล

การเพิ่มคุณสมบัติทางกลของโพลีเอทิลีนเมทริกซ์ที่มี CNT สามารถเริ่มต้นได้เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างซูปราโมเลกุลของเมทริกซ์โพลีเมอร์ CNT มีมิติทางเรขาคณิตที่เทียบเคียงได้กับผลึกโพลีเอทิลีน ดังนั้นการมีท่อนาโนอาจส่งผลต่อการตกผลึกของโพลีเมอร์และการอัดแน่นของสายโซ่โพลีเอทิลีน เนื่องจากมีขนาดนาโน CNT สามารถทำหน้าที่เป็นสารเติมแต่งนิวเคลียสและเปลี่ยนกลไกการตกผลึกจากเนื้อเดียวกันไปเป็นเนื้อต่างกันตามที่ระบุไว้ในงาน ด้วยกลไกการตกผลึกที่แตกต่างกัน ตามกฎแล้ว ระดับความตกผลึกของเมทริกซ์โพลีเมอร์จะเพิ่มขึ้น ในการทำงาน ด้วยกลไกการตกผลึกที่แตกต่างกันของ UHMWPE บน MWCNT ระดับความเป็นผลึกลดลง 5% การเจริญเติบโตของผลึกโพลีเอทิลีนสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งบนพื้นผิวของท่อนาโนแต่ละท่อและบนกระจุก ในงานดังกล่าว SEM ของนาโนคอมโพสิต MWNT-UHMWPE บ่งชี้การเติบโตของผลึกโพลีเมอร์จากคลัสเตอร์ MWNT ขนาด 1 ไมโครเมตร

การตกผลึกแบบต่างกันมีคุณสมบัติที่โดดเด่นสองประการ ประการแรก การเพิ่มสัดส่วนของเฟสผลึกทำให้ความแข็งแกร่งและความแข็งแกร่งของเมทริกซ์โพลีเมอร์เพิ่มขึ้น ประการที่สอง การตกผลึกของโพลีเมอร์บนพื้นผิวของ CNT ทำให้เกิดปฏิกิริยาทางกลที่รุนแรง และเป็นผลให้ความสามารถของเมทริกซ์ในการถ่ายโอนโหลดไปยังฟิลเลอร์เพิ่มขึ้น ในงานทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้น โดยพบว่าคุณสมบัติทางกลเพิ่มขึ้นเมื่อเติม CNT จะเกิดการตกผลึกของโพลีเอทิลีนบนพื้นผิวของท่อนาโน

CNT มีอิทธิพลอย่างมากต่อโครงสร้างซูปราโมเลกุลของโพลีเอทิลีน ในสถานะไอโซโทรปิก โพลิเอทิลีนมีโครงสร้างผลึกลาเมลลาร์เป็นส่วนใหญ่ ในขณะที่อยู่ในสถานะเชิงทิศทางจะมีโครงสร้างไฟบริลลาร์ บนพื้นผิวของท่อนาโน PE สามารถตกผลึกเป็นโครงสร้างประเภทชิชเคบับได้ ดังแสดงในรูปที่ 7 โครงสร้างนี้ประกอบด้วยดิสก์ที่เกิดจากแผ่นโพลีเอทิลีนลาเมลลาที่มีโซ่พับ ซึ่งศูนย์กลางการเจริญเติบโตคือผลึกไฟบริลลาร์ภายในที่พันอยู่ ท่อนาโนคาร์บอน

รูปที่ 7 - โครงสร้างซูปราโมเลกุลประเภทชิชเคบับที่เกิดจากการตกผลึกของ PE บนพื้นผิวของ CNT

โครงสร้างเคบับชิชสามารถเกิดขึ้นได้บนพื้นผิวของ CNT เนื่องจากความยาวขนาดใหญ่ เส้นผ่านศูนย์กลางนาโนเมตรของท่อนาโน และความหนาแน่นเฉลี่ยของศูนย์กลางนิวเคลียสที่แอคทีฟของการตกผลึก เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นผิวที่ PE ตกผลึกมีบทบาทอย่างมากในการก่อตัวของโครงสร้างชิชเคบับ เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของฟิลเลอร์ฟิลเลอร์เกินเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤต เช่น เมื่อตกผลึกบนพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ การตกผลึกของโพลีเมอร์จะเกิดขึ้นราวกับว่ามันอยู่บนพื้นผิวเรียบ รูปที่ 8 ดังนั้น เรขาคณิตของโครงสร้างผลึกของ โพลีเมอร์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับรูปทรงของท่อนาโน และไม่ขึ้นอยู่กับความ chirality ของมัน

การตกผลึกของโพลีเมอร์บนพื้นผิวของ CNT ในรูปแบบของโครงสร้างผลึกชิชเคบับ ทำให้สามารถรับนาโนคอมโพสิตที่มีผลึกเชิงทิศทางได้ เนื่องจากการวางแนวของฟิลเลอร์และการเติบโตโดยตรงของเฟสผลึกซึ่งตั้งฉากกับ พื้นผิวของท่อนาโน

รูปที่ 8 - ลักษณะของการตกผลึก PE บนพื้นผิวของ a) CNT และ b) คาร์บอนไฟเบอร์

เส้นใยที่ใช้ UHMWPE มีการยืดตัวประมาณ 5% การยืดตัวสัมพัทธ์ของเส้นใยคอมโพสิต UHMWPE/CNT มีแนวโน้มสองเท่า ในกรณีหนึ่ง มีการสังเกตการเพิ่มขึ้นของการยืดตัวสัมพัทธ์เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่ไม่มีท่อนาโน การศึกษาอื่น ๆ ระบุว่าการยืดตัวลดลงด้วยการเพิ่ม CNT การเพิ่มขึ้นของการยืดตัวสัมพัทธ์ของเส้นใยที่มี CNT อธิบายได้จากการเคลื่อนที่ของโซ่ที่เพิ่มขึ้นอันเป็นผลมาจากการตกผลึกขั้นที่สอง การตกผลึกทุติยภูมิเกิดขึ้นในระหว่างการให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นของเส้นใยจนถึง 120 0 C เมื่อพวกมันถูกมุ่งเน้นไปที่สถานะเส้นใยสุดท้าย ตามที่ผู้เขียนระบุ ในระหว่างกระบวนการตกผลึกขั้นทุติยภูมิ โครงสร้างประเภทชิชเคบับจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งมีความคล่องตัวของโซ่มากกว่าโครงสร้างผลึกของ UHMWPE ดั้งเดิม

ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษในการทำงานซึ่งมีการวางแนวของสารตั้งต้นของเส้นใยโดยวิธีการ "ขนถ่าย" แบบวนรอบที่อุณหภูมิห้อง สาระสำคัญของวิธีการนี้คือ "ฝึก" เส้นใยโดยการโหลดให้เป็นค่าที่สอดคล้องกับความแข็งแรงของคราก และกำจัดความเค้นแรงดึงทั้งหมดในภายหลัง ในแต่ละรอบที่ตามมา ความเค้นดึงที่ใช้จะเพิ่มขึ้น การโหลดและขนถ่ายแบบวนนี้ดำเนินต่อไปจนกระทั่งเกิดความล้มเหลวของไฟเบอร์ การเสียรูปรวมของเส้นใยถึงมากกว่า 200% ความเค้นที่เกิดขึ้นในเส้นใยถูกบันทึกเป็นความเค้นจริง เช่น ในแง่ของการเปลี่ยนแปลงหน้าตัดของเส้นใยในระหว่างการเปลี่ยนรูป

โดยรวมแล้ว มีการศึกษาเส้นใยสองประเภท: เส้นใย UHMWPE ที่ไม่มีสารตัวเติม และเส้นใย UHMWPE ที่มีเศษส่วนมวล 0.02 สำหรับเส้นใย UHMWPE ที่ยังไม่ได้บรรจุ หลังการฝึก ค่ากำลังสูงสุดที่แท้จริงและโมดูลัสยืดหยุ่นคือ 0.97 GPa และ 3.9 GPa ตามลำดับ สำหรับเส้นใยที่มีเศษส่วนมวล 0.02 MWCNT ค่าความแข็งแรงที่แท้จริงสูงสุดและโมดูลัสยืดหยุ่นคือ 1.9 GPa และ 10.3 GPa

มีข้อสังเกตว่าในระหว่างการ "ฝึกอบรม" แบบวนรอบของวัสดุคุณสมบัติทางกลที่เพิ่มขึ้นเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของพอลิเมอร์ดังต่อไปนี้:

การก่อตัวของโครงสร้างไฟบริลลาร์ใน UHMWPE:

การเพิ่มระดับความเป็นผลึกของพอลิเมอร์

การวางแนวของ MWCNT ตามทิศทางของการใช้งานโหลด

รูปแบบ "การขนถ่าย" แบบวนรอบของวัสดุโพลีเมอร์นำไปสู่การแข็งตัวของความเครียดของโพลีเมอร์ ซึ่งเป็นผลมาจากการยืดตัวของแผ่นลาเมลลาบางส่วน การก่อตัวของโครงสร้างไฟบริลลาเชิงทิศทาง และการกระจายตัวของเฟสผลึกเป็นผลึกขนาดเล็ก เพื่อประเมินการวัดความสามารถของวัสดุโพลีเมอร์ในการชุบแข็งด้วยความเครียด เลขชี้กำลัง n จะถูกนำมาใช้จากสมการที่ 1:

โดยที่ K คือสัมประสิทธิ์ความแข็งแกร่ง

e - การเสียรูป

n เป็นตัวบ่งชี้เอ็กซ์โพเนนเชียลของการแข็งตัวของความเครียด

การคำนวณตัวบ่งชี้การแข็งตัวของความเครียดแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลแสดงให้เห็นว่าสำหรับเมทริกซ์ UHMWPE ที่ยังไม่ได้เติม n=0.91 ด้วยการเติม MWCNT จะเพิ่มเป็น n=1.15 ตามมาด้วยว่า MWCNT จะเพิ่มความสามารถของวัสดุในการเสริมความแข็งแกร่งอันเป็นผลมาจากการขนถ่ายแบบวนรอบ นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตได้ว่า MWCNT เป็นสารเติมแต่งแบบนิวเคลียสและมีส่วนทำให้ระดับความเป็นผลึกของ UHMWPE เพิ่มขึ้น และการ "ฝึกฝน" เส้นใยจะทำให้ระดับความเป็นผลึกเพิ่มขึ้น 4% สำหรับ UHMWPE ที่ยังไม่ได้เติม และ 6% สำหรับ UHMWPE/MWCNT การเพิ่มขึ้นโดยรวมของระดับความเป็นผลึกเนื่องจากการขนถ่ายแบบวนรอบและ MWCNT เกิดขึ้น 15% การเปรอะเปื้อนของท่อนาโนด้วยชั้นโพลีเมอร์ซึ่งเป็นผลมาจากการตกผลึกแบบต่างกัน ส่งเสริมการถ่ายโอนความเครียดจากเมทริกซ์ไปยังท่อนาโน

การศึกษาที่สังเกตเห็นคุณสมบัติทางกลที่เพิ่มขึ้นบ่งชี้ถึงการก่อตัวของการยึดเกาะที่แข็งแกร่งระหว่างโพลีเมอร์และ CNT การเสริมแรงยึดเกาะเกิดขึ้นผ่านกลไกการยึดเกาะเชิงกลของฟิลเลอร์และเมทริกซ์ เนื่องจากการเติบโตของผลึกโพลีเมอร์บนพื้นผิวของ CNT หาก CNT เป็นสารเติมแต่งแบบนิวเคลียส

คุณสมบัติทางกลของเส้นใยได้รับอิทธิพลอย่างมากจากโครงสร้างอินเตอร์ไฟบริลลาร์ของโพลีเมอร์ โมเลกุลอสัณฐานที่แทรกซึมเข้าไปในผลึกไฟบริลลาร์มีบทบาทสำคัญในการถ่ายโอนความเครียดระหว่างผลึก การยืดตัวของโมเลกุลอสัณฐานทำให้โมดูลัสยืดหยุ่นและความต้านทานแรงดึงของเส้นใยเพิ่มขึ้น ดังนั้น เมื่อวิเคราะห์เส้นใย โมเลกุลอสัณฐานประเภทพิเศษ "โมเลกุลที่ตึง" จะถูกแยกออก ซึ่งอยู่ในสถานะที่ตึงเครียดอย่างยิ่ง และจับบริเวณผลึกไฟบริลลาร์ของโพลีเมอร์เข้าด้วยกัน จำนวนโมเลกุลเหล่านี้ในโครงสร้างอินเตอร์ไฟบริลลาร์ของเส้นใยส่วนใหญ่จะเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมเชิงกลของมัน

1.5.3 วิธีการแนะนำ CNT ในโซลูชัน UHMWPE

หนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการใช้ท่อนาโนคาร์บอนคือการใช้เป็นสารตัวเติมเสริมแรงในเมทริกซ์ต่างๆ รวมถึงโพลีเมอร์ด้วย การผลิตขนาดใหญ่ ซึ่งโดยปกติจะอยู่ภายในกรอบของวิธีการสะสมไอ (CVD) จะสร้าง CNT ในรูปของการรวมตัวของท่อที่พันกัน โดยมีขนาด 20-500 μm

การใช้ CNT ทำให้สามารถเพิ่มคุณลักษณะความแข็งแรงในการเปลี่ยนรูปของ PCM ได้ อย่างไรก็ตาม ระดับของผลเชิงบวกที่ได้รับจะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีในการแนะนำ CNT อย่างมาก ปัญหาหลักคือการรวมตัวของ CNT ซึ่งแก้ไขได้บางส่วนโดยใช้วิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงในการกระจายตัว อย่างไรก็ตาม งานในการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ สำหรับการแนะนำอนุภาคนาโน รวมถึง CNT ยังคงมีความเกี่ยวข้อง

ในเวลาเดียวกัน วัสดุคอมโพสิตที่เติม CNT สมรรถนะสูงสามารถรับได้โดยมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในเมทริกซ์โพลีเมอร์ สิ่งนี้นำไปสู่ความจำเป็นในการหาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการกระจายกลุ่มก้อน CNT

งานนี้อธิบายวิธีการ deagglomeration ของ CNT ในสารละลายได้ดีและทำให้สารละลายเป็นเนื้อเดียวกันโดยการเปิดเผยด้วยอัลตราซาวนด์ ผง CNT ได้รับการบำบัดด้วยความเข้มข้นต่างๆ ในเครื่องกระจายตัวแบบอัลตราโซนิก ในสารละลายน้ำของกลูโคสหรือเอทิลแอลกอฮอล์ การทำให้สารละลายเป็นเนื้อเดียวกันได้ดำเนินการในสองโหมด: การสลายตัวด้วยอัลตราโซนิกและโหมดการเกิดโพรงอากาศ การศึกษาโดยใช้สเปกโทรสโกปีเลเซอร์สหสัมพันธ์ช่วยให้ได้รูปแบบของฟังก์ชันการกระจายขนาดของอนุภาค CNT สำหรับระบบต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 9 - การกระจายขนาดของ CNT agglomerates ในสารละลายกลูโคสในน้ำ: 1 - โหมดคาวิเทชั่น; 2 - การสลายตัวของอัลตราโซนิก

การวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้รับช่วยให้เราสรุปได้ว่าการสลายตัวของอัลตราโซนิกไม่ได้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในขนาดของกลุ่ม CNT อย่างไรก็ตาม พวกมันอยู่ในรูปแบบของอนุภาคขยายที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.5 - 1.0 μm และความยาว 5 - 100 ไมโครเมตร สิ่งที่ไม่สามารถพูดได้เกี่ยวกับระบอบการปกครองของโพรงอากาศ

ระดับของการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันในโหมดคาวิเทชั่นจะสูงขึ้นอย่างมาก และขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของ CNT ในสารละลาย ตัวอย่างเช่น สำหรับความเข้มข้น 0.05 เศษส่วนมวลของ CNT อนุภาคจะมีขนาดในช่วง 0.2-1.0 μm และที่ 0.02 เศษส่วนมวลของ CNT จะมีการบันทึกอนุภาคสองขนาดในจำนวนหลัก: 0.01-0.10 μm และ 1 .0-5.0 ไมโครเมตร

สาเหตุหลักประการหนึ่งของการรวมตัวกันของ CNT คือพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ (100-600 ม.2 /กรัม) เพื่อแก้ไขปัญหานี้ CNT ได้รับการแก้ไขหรือใช้งานได้ กระบวนการของฟังก์ชันการทำงานคือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่นำไปสู่การก่อตัวของกลุ่มฟังก์ชันที่ทำงานอยู่บนพื้นผิวของ CNT วิธีการทั่วไปในการปรับการทำงานของท่อนาโนคือการบำบัดพวกมันด้วยส่วนผสมของกรดไนตริกเข้มข้นและกรดซัลฟิวริก รูปที่ 10 แสดงภาพของ CNT ก่อนและหลังการทำให้ทำหน้าที่ได้ในของผสมของกรดเข้มข้นเป็นเวลา 2 ชั่วโมง

เอกสารที่คล้ายกัน

ชนิด สมบัติ โครงสร้างและคุณลักษณะของเส้นใยคาร์บอน การผลิตโดยใช้เส้นใย PAN หลักการพื้นฐานของกระบวนการสร้างกราฟและคาร์บอไนเซชัน อิทธิพลของเงื่อนไขในการปรับเปลี่ยนพื้นผิวคาร์บอนต่อกิจกรรมและโครงสร้างที่มีรูพรุน

งานหลักสูตรเพิ่มเมื่อ 17/02/2552

การสร้างเส้นใยจากสารละลายโพลีเมอร์ การก่อตัวของด้ายเหลวและการยึดติดระหว่างกระบวนการขึ้นรูป ข้อมูลเกี่ยวกับการแข็งตัวของเกลียว การยึดด้ายระหว่างการระเหยของตัวทำละลาย กระบวนการแพร่ระหว่างการปั่นเส้นใย การเขียนแบบการวางแนวของเส้นใย

งานหลักสูตรเพิ่มเมื่อ 01/04/2010

การศึกษาคุณลักษณะของโครงสร้างโพลีเอทิลีนที่ปรากฏในฟิล์มและเส้นใยที่มีองค์ประกอบคู่ซึ่งเป็นผลมาจากการหลอมภายใต้สภาวะที่มีมิติเท่ากัน การเปรียบเทียบรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของฟิล์มดั้งเดิมและฟิล์มอบอ่อน การตกผลึกของโพลีเอทิลีนหลอมเหลว

บทความเพิ่มเมื่อ 22/02/2010

ศึกษาธรรมชาติของการวางแนวของผลึกในฟิล์ม PE และองค์ประกอบหลังจากการเสียรูปและการหลอมอ่อน การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันของการอัดรีดในเครื่องผสมหนอนสั่น คุณสมบัติทางกลและการผ่อนคลายขององค์ประกอบ ลักษณะของเส้นโค้งการเสียรูป

บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 18/03/2010

สมบัติทางกลกายภาพและเคมีฟิสิกส์ของเส้นใยสังเคราะห์ สารประกอบโพลีเมอร์ชนิดแรก การเตรียมเส้นใยสังเคราะห์และการจำแนกประเภท โซ่คาร์บอนและเฮเทอโรเชน, โพลีอะคริโลไนไตรล์, โพลีไวนิลคลอไรด์, เส้นใยโพลีเอไมด์

การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 20/04/2015

กระบวนการเปลี่ยนรูปที่เกิดขึ้นเองในไอไนโตรมีเทนของเส้นใยอะซิเตตที่แขวนลอยในแนวตั้ง คุณสมบัติของการยืดตัวของเซลลูโลสอีเทอร์ตามธรรมชาติ การศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานของเส้นใยอะซิเตตที่เปลี่ยนรูปในสภาพแวดล้อมที่มีไอไนโตรมีเทน

งานหลักสูตรเพิ่มเมื่อ 02/01/2010

การจำแนกประเภทของไฮโดรคาร์บอน อนุพันธ์เชิงฟังก์ชัน ปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชัน คุณสมบัติทางกลและเคมีพิเศษของโพลีเมอร์ หลักการทั่วไปสำหรับการผลิตเส้นใยประดิษฐ์ เส้นใยอะซิเตต โครงสร้างทางเคมี การเตรียม สมบัติ

ทดสอบเพิ่มเมื่อ 29/03/2556

แนวคิดของพอลิเมอร์นาโนคอมโพสิต การพัฒนาวิธีการผลิตและศึกษาคุณสมบัติการดูดซับของคอมโพสิตโดยอาศัยส่วนผสมของผงโพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำที่กระจายตัวในระดับนาโน เซลลูโลส เส้นใยถ่านกัมมันต์ และถ่านกัมมันต์

วิทยานิพนธ์เพิ่มเมื่อ 12/18/2555

พื้นฐานทางเคมีกายภาพสำหรับการผลิตเส้นใยทองแดงแอมโมเนียมจากเซลลูโลส อิทธิพลของระบอบการปกครองและการมีอยู่ของสารเติมแต่งต่อผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ การเตรียมสารละลายปั่นทองแดง-แอมโมเนียโดยวิธีทดลอง การวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของแรงดันกระแสของเส้นโค้งแบบกรณื

งานหลักสูตรเพิ่มเมื่อ 05/01/2010

เทคโนโลยีการผลิตสารละลายปั่นโพลีอะคริโลไนไตรล์ ลักษณะของวัตถุดิบ การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเส้นใยอะคริโลไนไตรล์เมื่อเปลี่ยนกรดอิทาโคนิกในโคโพลีเมอร์ ตัวทำละลายอินทรีย์ที่ใช้ในการผลิตเส้นใยโพลีอะคริโลไนไตรล์

วัสดุคาร์บอนที่เป็นผง (กราไฟท์ คาร์บอน คาร์บอนแบล็ก CNTs กราฟีน) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารตัวเติมเชิงหน้าที่สำหรับวัสดุต่างๆ และคุณสมบัติทางไฟฟ้าของคอมโพสิตที่มีสารตัวเติมคาร์บอนจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์บอน เช่นเดียวกับเทคโนโลยีสำหรับ การผลิตของพวกเขา CNT เป็นวัสดุผงที่ทำจากโครงสร้างกรอบของคาร์บอนรูปแบบ allotropic ในรูปแบบของ CNTs หลายผนังกลวงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 10–100 นาโนเมตร (รูปที่ 1) ดังที่ทราบกันดีว่าความต้านทานไฟฟ้า (ρ, โอห์ม ∙ m) ของ CNT ขึ้นอยู่กับวิธีการสังเคราะห์และการทำให้บริสุทธิ์ และสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 5 ∙10-8 ถึง 0.008 โอห์ม ∙ m ซึ่งน้อยกว่า
ที่กราไฟท์
เมื่อผลิตวัสดุคอมโพสิตที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า วัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูง (ผงโลหะ คาร์บอนแบล็ค กราไฟท์ คาร์บอน และเส้นใยโลหะ) จะถูกเพิ่มเข้าไปในอิเล็กทริก ซึ่งช่วยให้คุณเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าและคุณลักษณะไดอิเล็กทริกของพอลิเมอร์คอมโพสิตได้
การศึกษานี้ดำเนินการเพื่อพิจารณาความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าของ CNT ผ่านการดัดแปลง สิ่งนี้จะขยายการใช้หลอดดังกล่าวเป็นสารตัวเติมสำหรับคอมโพสิตโพลีเมอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าตามแผน งานนี้ใช้ตัวอย่างผง CNT ที่ผลิตโดยผง ALIT-ISM (Zhitomir, Kyiv) และผง CNT ที่ผ่านการดัดแปลงทางเคมี เพื่อเปรียบเทียบคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุคาร์บอน เราใช้ตัวอย่างของ CNT "Taunit" (Tambov) สังเคราะห์ตาม TU 2166-001-02069289-2007, CNT LLC "TMSpetsmash" (Kyiv) ผลิตตามมาตรฐาน TU U 24.1-03291669 -009:2009, กราไฟท์เบ้าหลอม CNT ที่ผลิตโดย ALIT-ISM และ Taunit ถูกสังเคราะห์โดยวิธี CVD บนตัวเร่งปฏิกิริยา NiO/MgO และ CNT โดย TMSpetsmash LLC ถูกสังเคราะห์บนตัวเร่งปฏิกิริยา FeO/NiO (รูปที่ 2) ในการศึกษานี้ ภายใต้เงื่อนไขเดียวกันและการใช้วิธีการที่พัฒนาขึ้นแบบเดียวกัน ได้มีการกำหนดลักษณะทางไฟฟ้าของตัวอย่างวัสดุคาร์บอน ความต้านทานไฟฟ้าของตัวอย่างคำนวณโดยการกำหนดคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของตัวอย่างผงแห้งที่ถูกกดที่ความดัน 50 กิโลกรัม (ตารางที่ 1)
การดัดแปลง CNT (หมายเลข 1–4) แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าฟิสิกส์ของ CNT โดยใช้อิทธิพลทางกายภาพและเคมี (ดูตารางที่ 1) โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานไฟฟ้าของตัวอย่างดั้งเดิมลดลง 1.5 เท่า (หมายเลข 1) และสำหรับตัวอย่างหมายเลข 2–4 – เพิ่มขึ้น 1.5–3 เท่า
ขณะเดียวกันปริมาณสิ่งสกปรกทั้งหมด (ส่วนแบ่งในรูปของสารตกค้างที่ไม่ติดไฟ) ลดลงจาก
2.21 (CNT ดั้งเดิม) ถึง 1.8% สำหรับ
ตัวอย่างหมายเลข 1 และมากถึง 0.5% สำหรับหมายเลข 3 ความไวต่อแม่เหล็กจำเพาะของตัวอย่างหมายเลข 2–4 ลดลงจาก 127∙10-8 เป็น 3.9∙10-8 ลบ.ม./กก. พื้นที่ผิวจำเพาะของตัวอย่างทั้งหมดเพิ่มขึ้นเกือบ 40% ในบรรดา CNT ที่แก้ไขแล้ว จะมีการบันทึกความต้านทานไฟฟ้าขั้นต่ำ (574∙10-6 โอห์ม∙m) ไว้ในตัวอย่างหมายเลข 1 ซึ่งใกล้เคียงกับความต้านทานของกราไฟท์ในถ้วยใส่ตัวอย่าง (33∙10-6 โอห์ม∙m) ในแง่ของความต้านทานจำเพาะ ตัวอย่าง CNT จาก Taunit และ TMSpetsmash LLC เทียบได้กับตัวอย่างหมายเลข 2, 3 และความไวต่อแม่เหล็กจำเพาะของตัวอย่างเหล่านี้เป็นลำดับความสำคัญที่สูงกว่าตัวอย่าง CNT ที่ดัดแปลง (ALIT-ISM)
เป็นที่ยอมรับกันว่าความต้านทานไฟฟ้าของ CNT สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 6∙10-4 ถึง
12∙10-4 โอห์ม·ม. ข้อมูลจำเพาะได้รับการพัฒนาสำหรับการใช้ CNT ที่ได้รับการดัดแปลงในการผลิตวัสดุคอมโพสิตและโพลีคริสตัลไลน์ สารเคลือบ สารตัวเติม สารแขวนลอย สารเพสต์ และวัสดุอื่นที่คล้ายคลึงกัน
TU U 24.1-05417377-231:2011 "ผงนาโนของ CNT แบบหลายผนังของเกรด MWCNT-A"
มุน-V (MWCNT-B), มุน-S (MWCNT-S)"
(ตารางที่ 2).
เมื่อผง CNT ดัดแปลงถูกนำมาใช้เป็นสารตัวเติมลงในฐานโพลีเอทิลีนของคอมโพสิต ค่าการนำไฟฟ้าของโพลีเมอร์คอมโพสิตจะเพิ่มขึ้นตามค่าการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นจากการปรับเปลี่ยนเป้าหมายของ CNT ความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะโดยเฉพาะความต้านทานไฟฟ้าจึงเปิดขึ้น
วรรณกรรม
1. Tkachev A.G., Zolotukhin I.V. อุปกรณ์และวิธีการสังเคราะห์โครงสร้างนาโนโซลิดสเตต – อ.: Mashinostroenie-1, 2550.
2. Bogatyreva G.P., Marinich M.A., Bazaliy G.A., Ilnitskaya G.D., Kozina G.K., Frolova L.A. ศึกษาอิทธิพลของการบำบัดทางเคมีต่อคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของท่อนาโนคาร์บอน นั่ง. ทางวิทยาศาสตร์ ตร. "ฟูลเลอรีนและโครงสร้างนาโนในสสารควบแน่น" / เอ็ด.
พี.เอ. วิทยาซ. – มินสค์: สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งรัฐ “สถาบันความร้อนและการถ่ายเทมวล”
แลกเปลี่ยนพวกเขา A.V. Lykova" NAS แห่งเบลารุส, 2011, หน้า 141–146
3. Novak D.S., Berezenko N.M., Shostak T.S., Pakharenko V.O., Bogatyreva G.P., Oleynik N.A., Bazaliy G.A. นาโนคอมโพสิตที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจากโพลีเอทิลีน นั่ง. ทางวิทยาศาสตร์ ตร. "เครื่องมือตัดหินและโลหะ - อุปกรณ์และเทคโนโลยีสำหรับการผลิตและการใช้งาน" – เคียฟ: ISM
พวกเขา. V.N.Bakulya NAS แห่งยูเครน, 2011, ฉบับที่ 14, หน้า 394–398

วัสดุคาร์บอนที่เป็นผง (กราไฟท์ ถ่านหิน เขม่า CNTs กราฟีน) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารตัวเติมเชิงหน้าที่ของวัสดุต่างๆ และคุณสมบัติทางไฟฟ้าของคอมโพสิตที่มีสารตัวเติมคาร์บอนจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างและคุณสมบัติของคาร์บอนและโดยเทคโนโลยีการผลิต CNT เป็นวัสดุผงของโครงสร้างเฟรมของคาร์บอนในรูปแบบ allotropic ในรูปแบบของ CNT หลายผนังกลวงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 10 ถึง 100 นาโนเมตร (รูปที่ 1a, b) เป็นที่ทราบกันว่าความต้านทานไฟฟ้า (ρ, โอห์ม·m) ของ CNT ขึ้นอยู่กับวิธีการสังเคราะห์และการทำให้บริสุทธิ์ และสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 5∙10-8 ถึง 0.008 โอห์ม·m ซึ่งต่ำกว่ากราไฟท์ตามลำดับ
รูปที่ 1. ก) – ผง CNTs, b) – ชิ้นส่วนของ CNTs (Power Electronic Microscopy)
ในการผลิตคอมโพสิตที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า วัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูง (ผงโลหะ คาร์บอนทางเทคนิค กราไฟท์ คาร์บอนและเส้นใยโลหะ) จะถูกเติมลงในไดอิเล็กทริก ซึ่งช่วยให้สามารถเปลี่ยนแปลงค่าการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติไดอิเล็กทริกของพอลิเมอร์คอมโพสิตได้
การตรวจสอบในปัจจุบันได้ดำเนินการเพื่อพิจารณาความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะของ CNT ผ่านการดัดแปลง สิ่งนี้จะขยายการใช้หลอดดังกล่าวเป็นสารตัวเติมของคอมโพสิตโพลีเมอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าตามแผน การตรวจสอบใช้ตัวอย่างผงเริ่มต้นของ CNT ที่ทำโดยผง ALIT-ISM (Zhytomyr, Kyiv) และผง CNTs ซึ่งอาจมีการดัดแปลงทางเคมีต่างๆ เพื่อเปรียบเทียบคุณลักษณะทางไฟฟ้าฟิสิกส์ของวัสดุคาร์บอน ตัวอย่าง CNT "Taunit" (Tambov, รัสเซีย) สังเคราะห์ภายใต้ 2166-001-02069289-2007, LLC "TMSpetsmash" (เคียฟ) ผลิตภายใต้ 24.1-03291669-009:2009, กราไฟท์เบ้าหลอม, CNT สร้างโดย ALIT-ISM และ "Taunit" ถูกสังเคราะห์ด้วยวิธี CVD บนตัวเร่งปฏิกิริยา NiO/MgO และ CNT ที่ผลิตโดย LLC "TMSpetsmash" – บนตัวเร่งปฏิกิริยา FeO/NiO ถูกนำมาใช้ (รูปที่ 2)
รูปที่ 2 a – CNT (ALIT-ISM), b – CNT “TMSpetsmash” (ภาพ PEM)
การตรวจสอบภายใต้สภาวะเดียวกันโดยใช้วิธีการเดียวกันที่พัฒนาขึ้นใน ISM จะกำหนดลักษณะทางกายภาพทางไฟฟ้าของตัวอย่างวัสดุคาร์บอนที่ได้รับการพิจารณา ความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะของตัวอย่างคำนวณโดยการกำหนดคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันขององค์ประกอบผงแห้งที่ถูกกดภายใต้ความดัน 50 กก. (ตารางที่ 1).
การปรับเปลี่ยน CNT (หมายเลข 1-4) แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารเหล่านี้อย่างฉับพลันโดยอาศัยความช่วยเหลือจากผลกระทบทางกายภาพและเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะของตัวอย่างเริ่มต้นลดลง 1.5 เท่า (หมายเลข 1) และสำหรับหมายเลข 1 2 – 4 เพิ่มขึ้น 1.5-3 เท่า
ในกรณีนี้ ปริมาณสิ่งเจือปนทั้งหมด (ซึ่งอยู่ในรูปของสารตกค้างที่ไม่ติดไฟ) ลดลงจาก 2.21% (CNT เริ่มต้น) เป็น 1.8% สำหรับหมายเลข 1 และ 0.5% สำหรับหมายเลข 3 ความไวต่อสนามแม่เหล็กของตัวอย่างหมายเลข 2 – 4 ลดลงตามลำดับ พื้นที่ผิวจำเพาะของตัวอย่างทั้งหมดเพิ่มขึ้นเกือบ 40% ในบรรดาความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะขั้นต่ำของ CNT ที่แก้ไขแล้ว (574∙10-6 โอห์ม·เมตร) ได้รับการแก้ไขสำหรับตัวอย่างหมายเลข 1 ซึ่งใกล้เคียงกับความต้านทานของกราไฟท์ในถ้วยใส่ตัวอย่าง (337∙10-6 โอห์ม·เมตร) ด้วยการต้านทานจำเพาะ ตัวอย่างของ CNT "Taunit" และ "TMSpetsmash" สามารถนำมาเปรียบเทียบกับตัวอย่างหมายเลข 2 และหมายเลข 3 ได้ และความไวต่อสนามแม่เหล็กของตัวอย่างเหล่านี้จะสูงกว่าของตัวอย่าง CNT ที่ดัดแปลงตามลำดับ ("Alit -ISM")
ดังนั้น มีการระบุความเป็นไปได้ในการแก้ไข CNT เพื่อเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะของ CNT ในช่วง 6∙10-4۞12∙10-4Ohm∙m มีการพัฒนาข้อกำหนดจำเพาะ 24.1-05417377-231:2011 "ผงนาโนของ CNT แบบหลายผนังของเกรด MWCNTs-A, MWCNTs-B, MWCNTs-C (ตารางที่ 2) สำหรับ CNT ดัดแปลงสำหรับการผลิตวัสดุคอมโพสิตและวัสดุโพลีคริสตัลไลน์ สารเคลือบ สารตัวเติม สารแขวนลอย เพสต์และวัสดุอื่นที่คล้ายคลึงกัน
เมื่อนำเข้าไปในฐานโพลีเอทิลีนของคอมโพสิตในฐานะตัวเติมของผงดัดแปลง CNTs ของเกรดใหม่ด้วยค่าการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของ CNT ค่าการนำไฟฟ้าของพอลิเมอร์คอมโพสิตจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น จากการปรับเปลี่ยน CNT โดยตรง จึงมีโอกาสใหม่ๆ ที่จะเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะต่างๆ โดยเฉพาะค่าของความต้านทานไฟฟ้า
วรรณกรรม

ดังที่ทราบกันดีว่าท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) เนื่องจากมีคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่ผิดปกติ จึงมีแนวโน้มที่ดีสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย วัสดุใหม่นี้ได้พิสูจน์ประสิทธิภาพในการเป็นแหล่งปล่อยอิเล็กตรอนเย็น เป็นพื้นฐานสำหรับวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีขึ้น เป็นตัวดูดซับสำหรับสารที่เป็นก๊าซและของเหลว ฯลฯ อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการใช้วัสดุและอุปกรณ์ใหม่ที่ใช้ CNT อย่างแพร่หลาย ซึ่งสัมพันธ์กับวิธีการผลิต CNT ที่มีอยู่ซึ่งมีต้นทุนสูงและผลผลิตต่ำในปริมาณที่มองเห็นได้ วิธีการเหล่านี้ขึ้นอยู่กับขั้นตอนพื้นผิวของการระเหยด้วยความร้อนของกราไฟท์ หรือการสะสมของไอของสารประกอบที่มีคาร์บอนบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ มีลักษณะพิเศษคือผลผลิตที่จำกัด ซึ่งเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ผิวแอคทีฟ ความสามารถในการผลิตของการสังเคราะห์ CNT เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนมาใช้การสังเคราะห์จำนวนมาก ในกรณีนี้ ผลผลิตของกระบวนการสังเคราะห์ไม่ได้แปรผันตามพื้นผิว แต่เป็นสัดส่วนกับปริมาตรของห้องปฏิกิริยา และอาจเกินค่าลักษณะเฉพาะของวิธีการสังเคราะห์ CNT แบบเดิมอย่างมีนัยสำคัญ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้โดยกลุ่มพนักงานของมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในแคนาดา (Université de Sherbrooke) ซึ่งใช้พลาสมาความร้อนของพลาสมาตรอนความถี่สูงเพื่อผลิต CNT ในปริมาณที่มองเห็นด้วยตาเปล่าจากคาร์บอนที่กระจายตัวอย่างประณีต

การติดตั้งนี้เป็นไฟฉายพลาสม่าชนิดเหนี่ยวนำที่ผลิตเชิงพาณิชย์ ซึ่งใช้พลังงานจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับขนาด 60 กิโลวัตต์ ซึ่งทำงานที่ความถี่ 3 MHz คบเพลิงพลาสม่าประกอบด้วย: ห้องพลาสมาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 5 ซม. เครื่องปฏิกรณ์ยาว 50 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 15 ซม. ห้องทำความเย็นอย่างรวดเร็วประกอบด้วยส่วนทรงกระบอกผนังสองชั้นสองส่วนยาว 20 และ 30 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 15 ซม. การไหลของก๊าซอิสระสามเส้นถูกส่งไปยังบริเวณคบเพลิงพลาสม่า ได้แก่ แนวแกน อุปกรณ์ต่อพ่วง และผงรองรับ การไหลครั้งแรกจะได้รับการเคลื่อนที่แบบหมุน เพื่อให้แน่ใจว่าหัวพ่นพลาสมาจะมีเสถียรภาพ และการไหลครั้งที่สองเป็นแบบลามิเนต ทำหน้าที่ปกป้องผนังเครื่องปฏิกรณ์จากก๊าซร้อน ระบบการกรองซึ่งทำหน้าที่แยกวัสดุที่มี CNT ออกจากส่วนประกอบที่ระเหยง่าย มีองค์ประกอบตัวกรองสามชิ้นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 ซม. และความยาว 85 ซม. โดยอิงจากเซรามิกที่มีรูพรุนซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน 2.8 ไมครอน อนุภาค Ni ขนาด< 1 мкм, Co размером < 2 мкм, CeO 2 и Y 2 O 3 , подмешиваемые в различных пропорциях при суммарной концентрации на уровне порядка 1 ат % к мелкодисперсному графиту. В качестве буферного газа использовали смесь He-Ar различного состава при полном давлении около 500 Торр. Порошок подавали в плазму со скоростями 1,2 - 2 г/мин. Каждый эксперимент продолжался 20 мин., хотя система допускала непрерывную эксплуатацию в течение 9 часов. В экспериментах использовали 3 типа углеродного порошка различной степени измельченности с размером частиц 75, 45 и 16 нм. Исследования, выполненные методами термогравиметрии и спектроскопии комбинационного рассеяния, показали, что в оптимальных условиях производительность синтеза порошка, содержащего до 40% однослойных УНТ, достигает 100 г/час. При этом оптимальные условия соответствуют чистому гелию, частицам углерода размером 75 нм и скорости их подачи 1,5-2 г/мин. Приведенные показатели заметно превышают результаты, достигнутые при использовании электродугового и лазерного методов синтеза УНТ, при этом нанотрубки по своему качеству лишь немного уступают синтезируемым лазерным методом. Следует отметить, что мелкодисперсный углерод значительно дешевле кристаллического графита, поэтому нанотрубки, полученные в плазме из порошка гораздо дешевле.

A.V.Eletsky

1. เค.เอส. คิม และคณะ เจ. ฟิส. D: 40, 2375 (2550)