غرف مواضيعية. أنابيب الكربون النانوية المعدلة وظيفيا كمواد حساسة لأجهزة الاستشعار الكيميائية والبيولوجية إيجابيات وسلبيات

يتعلق الاختراع بتكنولوجيا المواد النانوية الكربونية، وتحديدًا بتقنية إنتاج أنابيب الكربون النانوية المعدلة.

تميل الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) إلى تكوين تكتلات، مما يجعل من الصعب توزيعها في الوسائط المختلفة. حتى لو تم توزيع الأنابيب النانوية الكربونية بشكل موحد في بعض الوسائط، على سبيل المثال، عن طريق الموجات فوق الصوتية المكثفة، فإنها بعد فترة قصيرة تشكل تكتلات تلقائيًا. للحصول على تشتت مستقر للأنابيب النانوية الكربونية، يتم استخدام طرق مختلفة لتعديل الأنابيب النانوية الكربونية، والتي يتم تنفيذها عن طريق ربط مجموعات وظيفية معينة بسطح الأنابيب النانوية الكربونية، مما يضمن توافق الأنابيب النانوية الكربونية مع البيئة، باستخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي، وتقصير الأنابيب النانوية الكربونية الطويلة جدًا باستخدام مختلف طُرق.

في وصف هذا الاختراع، يعني مصطلح "التعديل" تغييرًا في طبيعة سطح CNT والمعلمات الهندسية للأنابيب النانوية الفردية. هناك حالة خاصة للتعديل وهي تشغيل الأنابيب النانوية الكربونية، والتي تتكون من تطعيم مجموعات وظيفية معينة على سطح الأنابيب النانوية الكربونية.

هناك طريقة معروفة لتعديل الأنابيب النانوية الكربونية، والتي تتضمن أكسدة الأنابيب النانوية الكربونية تحت تأثير عوامل مؤكسدة سائلة أو غازية مختلفة (حمض النيتريك في شكل سائل أو بخار، بيروكسيد الهيدروجين، محاليل كبريتات الأمونيوم عند درجة حموضة مختلفة، الأوزون، النيتروجين ثاني أكسيد وغيرها). هناك العديد من المنشورات حول هذه الطريقة. ومع ذلك، نظرًا لأن جوهر الطرق المختلفة لأكسدة أنابيب الكربون النانوية هو نفسه، أي أكسدة سطح أنابيب الكربون النانوية مع تكوين مجموعات الهيدروكسيل والكربوكسيل السطحية، فإن هذا يعطي سببًا للنظر في الطرق المختلفة الموصوفة على أنها متغيرات من واحدة. طريقة. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك نشر Datsyuk V.، Kalyva M.، Papagelis K.، Parthenios J.، Tasis D.، Siokou A.، Kallitsis I.، Galiotis C. الأكسدة الكيميائية لأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران // Carbon، 2008، المجلد 46، الصفحات 833-840، الذي يصف عدة خيارات (باستخدام حمض النيتريك وبيروكسيد الهيدروجين وكبريتات الأمونيوم).

إن السمات الأساسية المشتركة للطريقة قيد النظر والاختراع المطالب به هي معالجة أنابيب الكربون النانوية بمحلول عامل مؤكسد.

تتميز الطريقة المدروسة بالكفاءة غير الكافية لتقسيم تكتلات CNT وتحقيق تشتت جيد لأنابيب CNT المؤكسدة في الماء والمذيبات العضوية القطبية. كقاعدة عامة، يتم تشتيت أنابيب الكربون النانوية المؤكسدة بالطرق المعروفة جيدًا في الماء والمذيبات العضوية القطبية (تحت تأثير الموجات فوق الصوتية) فقط بتركيز منخفض جدًا من الأنابيب النانوية في السائل (عادةً في حدود 0.001-0.05٪ بالوزن). . عندما يتم تجاوز تركيز العتبة، تتجمع الأنابيب النانوية في تكتلات كبيرة (رقائق)، والتي تترسب.

في عدد من الأعمال، على سبيل المثال، Wang Y.، Deng W.، Liu X.، Wang X. خصائص تخزين الهيدروجين الكهروكيميائي لأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران المطحونة بالكرة // المجلة الدولية للطاقة الهيدروجينية، 2009، المجلد 34 ، ص1437-1443؛ لي ج.، جيونج تي.، هيو جي.، بارك إس.-إتش.، لي دي.، بارك جي.-بي.، هان إتش.، كوون واي.، كوفاليف آي.، يون إس إم، تشوي جي.-واي ., Jin Y., Kirn J.M., An K.H., Lee Y.H., Yu S. أنابيب الكربون النانوية القصيرة التي يتم إنتاجها بواسطة التكسير المبرد // Carbon, 2006, vol.44, p.2984-2989; Konya Z.، Zhu J.، Niesz K.، Mehn D.، Kiricsi I. End Morphology of ball Milled Carbon nanotubes // Carbon، 2004، vol.42، p.2001-2008، يصف طريقة لتعديل الأنابيب النانوية الكربونية عن طريق التقصير والتي يتم تحقيقها من خلال المعالجة الميكانيكية المطولة للأنابيب النانوية الكربونية في السوائل أو المصفوفات المجمدة. تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية المختصرة بتشتت أفضل في السوائل وخصائص كهروكيميائية أفضل.

السمات الأساسية المشتركة للطرق المدروسة والمقترحة هي المعالجة الميكانيكية للأنابيب النانوية الكربونية المنتشرة في أي وسط.

عيب الطريقة المدروسة هو أنها لا تضمن تشغيل الأنابيب النانوية الكربونية مع المجموعات القطبية، ونتيجة لذلك لا تزال الأنابيب النانوية الكربونية المعالجة بهذه الطريقة غير منتشرة جيدًا في الوسائط القطبية.

الأقرب إلى الاختراع المطالب به هو الطريقة الموضحة في عمل Chiang Y.-C.، Lin W.-H.، Chang Y.-C. تأثير مدة المعالجة على الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران التي يتم تشغيلها بواسطة أكسدة H2SO4/HNO3 // علوم الأسطح التطبيقية، 2011، المجلد 257، الصفحات 2401-2410 (النموذج الأولي). وفقًا لهذه الطريقة، يتم تعديل الأنابيب النانوية الكربونية عن طريق أكسدتها العميقة أثناء الغليان لفترة طويلة في محلول مائي يحتوي على أحماض الكبريتيك والنيتريك. في هذه الحالة، أولاً، يتم تطعيم المجموعات الوظيفية القطبية (على وجه الخصوص، مجموعات الكربوكسيل) على سطح CNT، ومع وقت معالجة طويل بما فيه الكفاية، يتم تحقيق تقصير الأنابيب النانوية. وفي الوقت نفسه، لوحظ أيضًا انخفاض في سمك الأنابيب النانوية بسبب الأكسدة الكاملة لطبقات الكربون السطحية إلى ثاني أكسيد الكربون. تم وصف متغيرات هذه الطريقة في مصادر أخرى، على سبيل المثال في المقالة المذكورة بواسطة Datsyuk V.، Kalyva M. et al.، بالإضافة إلى Ziegler K.J.، Gu Z.، Peng H.، Flor E.L.، Hauge R.H.، Smalley R.E. القطع التأكسدي المتحكم فيه لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار // مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، 2005، المجلد 127، العدد 5، الصفحات 1541-1547. تشير المصادر المنشورة إلى أن أنابيب الكربون النانوية المختصرة المؤكسدة لديها قدرة متزايدة على التشتت في الماء والمذيبات العضوية القطبية.

من السمات الأساسية المشتركة للطريقة المقترحة وطريقة النموذج الأولي معالجة الأنابيب النانوية الكربونية بمحلول مائي لعامل مؤكسد. تتطابق الطريقة المبتكرة وطريقة النموذج الأولي أيضًا في النتيجة المحققة، وهي أن تطعيم المجموعات الوظيفية القطبية على سطح الأنابيب النانوية الكربونية يتم تحقيقه بالتزامن مع تقصير الأنابيب النانوية الكربونية الطويلة.

ومن عيوب الطريقة النموذجية الحاجة إلى استخدام فائض كبير من الأحماض مما يزيد من تكلفة العملية ويخلق مشاكل بيئية أثناء التخلص من النفايات، فضلا عن أكسدة جزء من أنابيب الكربون النانوية إلى ثاني أكسيد الكربون مما يقلل من إنتاج المنتج النهائي (أنابيب الكربون النانوية المعدلة) ويجعله أكثر تكلفة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الطريقة صعبة القياس. في ظروف المختبر، يمكن استخدام الأدوات الزجاجية، ولكن بالنسبة للإنتاج التجريبي، يفضل استخدام معدات الفولاذ المقاوم للصدأ. يؤدي غلي الأنابيب النانوية في المحاليل الحمضية إلى خلق مشكلة مقاومة المعدات للتآكل.

أساس الاختراع المطالب به هو مهمة إزالة عيوب الطريقة المعروفة عن طريق اختيار كاشف الأكسدة وظروف الأكسدة.

تم حل المشكلة من خلال حقيقة أنه وفقًا لطريقة تعديل أنابيب الكربون النانوية، والتي تتضمن معالجة أنابيب الكربون النانوية بمحلول مائي لعامل مؤكسد، تتم معالجة أنابيب الكربون النانوية بمحلول مائي لعامل مؤكسد في وقت واحد مع المعالجة الميكانيكية. المعالجة، ويتم استخدام محلول فوق الكبريتات أو هيبوكلوريت عند درجة حموضة تزيد عن 10 كعامل مؤكسد.

تتم المعالجة الميكانيكية باستخدام مطحنة حبة.

يؤخذ العامل المؤكسد بكمية تعادل 0.1 إلى 1 جرام من ذرة الأكسجين النشط لكل 1 جرام من ذرة الكربون في الأنابيب النانوية.

تتم إزالة الهيبوكلوريت الزائد في خليط التفاعل عند درجة حموضة أكبر من 10 عن طريق إضافة بيروكسيد الهيدروجين.

إن إجراء معالجة أنابيب الكربون النانوية بمحلول مائي لعامل مؤكسد بالتزامن مع المعالجة الميكانيكية واستخدام محلول فوق الكبريتات أو هيبوكلوريت كعامل مؤكسد عند درجة حموضة تزيد عن 10 يلغي الحاجة إلى استخدام كميات كبيرة من الأحماض، مما يزيد من تكلفة العملية ويخلق مشاكل بيئية أثناء التخلص من النفايات، فضلا عن فقدان المنتج النهائي بسبب أكسدة جزء من كربون الأنابيب النانوية إلى ثاني أكسيد الكربون.

بالنسبة للمعالجة الميكانيكية، يمكن استخدام الأجهزة المعروفة في هذا المجال، مثل مطحنة الخرز، وطاحونة الاهتزاز، وطاحونة الكرات وغيرها من الأجهزة المماثلة. في الواقع، تعد مطحنة الخرز واحدة من أكثر الأجهزة ملاءمة لحل المهمة.

يمكن استخدام فوق كبريتات الأمونيوم، فوق كبريتات الصوديوم، فوق كبريتات البوتاسيوم، هيبوكلوريت الصوديوم، هيبوكلوريت البوتاسيوم كعوامل مؤكسدة. يتم تنفيذ الطريقة الأكثر فاعلية عند معالجة أنابيب الكربون النانوية بمحلول عامل مؤكسد عند درجة حموضة أعلى من 10. عند درجة حموضة أقل، يحدث تآكل المعدات والتحلل غير الملائم لعامل الأكسدة مع إطلاق الكلور (من هيبوكلوريت) أو الأكسجين (من فوق الكبريتات) ممكن. ويمكن ضبط قيمة الرقم الهيدروجيني المطلوبة بإضافة مواد معروفة لها تفاعل قلوي للمحلول، مثل الأمونيا وكربونات الصوديوم وكربونات البوتاسيوم وهيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد البوتاسيوم وغيرها من المواد القلوية التي لا تتفاعل مع العامل المؤكسد تحت ظروف المعالجة. في هذه الحالة، ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار البيانات المعروفة التي يتفاعل هيبوكلوريت مع الأمونيا. ولذلك، لا يمكن استخدام الأمونيا في نظام هيبوكلوريت. عند استخدام الكبريتات لتحديد درجة الحموضة القلوية، يمكن استخدام جميع المواد المدرجة.

لتنفيذ الطريقة المقترحة، فإن الكمية المثلى من عامل الأكسدة تعادل 0.1 إلى 1 جرام من ذرة الأكسجين النشط لكل 1 جرام من ذرة الكربون من الأنابيب النانوية. عندما تكون كمية العامل المؤكسد أقل من الحد الأدنى المحدد، تكون أنابيب الكربون النانوية المعدلة الناتجة أقل تشتتًا في الماء والمذيبات العضوية القطبية. إن تجاوز كمية العامل المؤكسد بما يتجاوز الحد الأعلى المحدد هو أمر غير عملي، لأنه على الرغم من أنه يسرع عملية أكسدة الأنابيب النانوية، إلا أنه لا يحسن التأثير المفيد.

ولتنفيذ الطريقة المقترحة، تم استخدام المواد والمعدات الأولية التالية:

أنابيب الكربون النانوية من علامتي Taunit وTaunit-M التي تنتجها شركة NanoTechCenter LLC، تامبوف.

كبريتات الأمونيوم، الصف التحليلي.

هيبوكلوريت الصوديوم وفقًا لـ GOST 11086-76 في شكل محلول مائي يحتوي على 190 جم / لتر من الكلور النشط و 12 جم / لتر من هيدروكسيد الصوديوم الحر.

أمونيا مائية 25% درجة تحليلية.

كربونات الصوديوم اللامائية، الدرجة التحليلية.

ماء مقطرة.

ثنائي ميثيل أسيتاميد، درجة تحليلية.

كحول ايثيلي 96%.

مطحنة الخرز الأفقية MShPM-1/0.05-VK-04 من إنتاج شركة NPO DISPOD. تم استخدام كرات ثاني أكسيد الزركونيوم التي يبلغ قطرها 1.6 ملم كوسيلة طحن.

تركيب بالموجات فوق الصوتية IL-10.

تم صب 1460 مل من الماء المقطر في وعاء من الفولاذ المقاوم للصدأ سعة 4 لتر وتم إذابة 228.4 جم من كبريتات الأمونيوم، وبعد ذلك تمت إضافة 460 مل من 25٪ أمونيا. تمت إضافة 1099 جم من المعجون المائي لأنابيب الكربون النانوية Taunit-M (المنقى من الشوائب المعدنية بالمعالجة بحمض الهيدروكلوريك)، والذي يحتوي على 5.46% مادة جافة، إلى هذا المحلول وتم خلطه جيدًا حتى يتم تكوين معلق متجانس. تم تحميل المعلق الناتج في مطحنة خرزية بخرز ثاني أكسيد الزركونيوم بقطر 1.6 مم ومعالجته لمدة 7 ساعات. بعد ذلك تم تفريغ المعلق المعالج، وترشيحه من الخرز، وتحمضه بحمض الهيدروكلوريك إلى تفاعل حمضي، وترشيحه من خلال مرشح مصنوع من مادة بولي بروبيلين غير منسوجة وغسله بالماء حتى يصبح ماء الغسيل متعادلًا. يتم امتصاص الرواسب المغسولة في فراغ وتعبئتها في حاوية بلاستيكية محكمة الغلق. كان المحتوى الكتلي للمادة الجافة (الأنابيب النانوية) في المعجون الناتج 8.52% (والباقي عبارة عن ماء). تم تجفيف المنتج الناتج في فرن عند درجة حرارة 80 درجة مئوية إلى وزن ثابت.

لاختبار القابلية للذوبان (التشتت)، تم تفريق عينة من CNTM-1 في الماء أو المذيبات العضوية باستخدام العلاج بالموجات فوق الصوتية. أظهرت التجارب أن CNT-1 قابل للذوبان بدرجة عالية في الماء، ويفضل أن يكون عند درجة الحموضة الأساسية (التي يتم إنشاؤها عن طريق إضافة الأمونيا أو القواعد العضوية). إن إضافة القاعدة يشجع على تكوين محلول مستقر (تشتت) للأنابيب النانوية المعدلة، لأنه يؤدي إلى تأين مجموعات الكربوكسيل السطحية وظهور شحنة سالبة على الأنابيب النانوية.

وهكذا، تم الحصول على محلول مائي مستقر (كما يتبين من شفافية المحلول وغياب الرقائق) الذي يحتوي على 0.5% CNTM-1 في وجود 0.5% ثلاثي إيثانولامين كمنظم للأس الهيدروجيني. يبلغ حد ذوبان CNTM-1 في هذا النظام حوالي 1%؛ وعندما يتم تجاوز هذا التركيز، تظهر شوائب هلامية.

في ثنائي ميثيل أسيتاميد (بدون إضافات أجنبية)، تم الحصول على محاليل شفافة مستقرة لـ CNTM-1 بتركيزات جماعية تبلغ 1 و2% عن طريق العلاج بالموجات فوق الصوتية. في هذه الحالة، يقوم ثنائي ميثيل أسيتاميد، والذي يعد في حد ذاته قاعدة ضعيفة، بإذابة CNTM-1 بشكل فعال دون إضافة منظمات درجة الحموضة دخيلة. كان محلول 1% مستقرًا إلى أجل غير مسمى أثناء التخزين، ولكن بعد بضعة أيام بدأ محلول 2% في إظهار علامات الانسيابية، ولكن دون تكوين تكتلات.

صب 2.7 لترًا من الماء المقطر في وعاء من الفولاذ المقاوم للصدأ سعة 4 لترات، وأضف 397.5 جم من كربونات الصوديوم اللامائية وحركه حتى يذوب تمامًا. بعد إذابة كربونات الصوديوم، تم صب محلول هيبوكلوريت الصوديوم (0.280 لتر) وتم خلط الخليط جيدًا. بعد ذلك، تدريجيًا، مع التحريك، تمت إضافة 60 جم من خام Taunit-M (يحتوي على حوالي 3% بالوزن من شوائب المحفز، في الغالب أكسيد المغنسيوم) وتقليبه حتى الحصول على معلق متجانس. تم تحميل هذا التعليق في مطحنة خرزية بقطر 1.6 مم من حبات الزركونيا ومعالجتها لمدة 7 ساعات. بعد ذلك تم تفريغ المعلق المعالج، وترشيحه من الخرز، وتحمضه بحمض الهيدروكلوريك إلى تفاعل حمضي، وحفظه لمدة 3 أيام في درجة حرارة الغرفة لإذابة بقايا المحفز تمامًا والشوائب المحتملة لمركبات الحديد (من جسم وأصابع مطحنة الخرز) . وهكذا، تم تنظيف الأنابيب النانوية بالأحماض في نفس الوقت من شوائب المحفز. يتم ترشيح المعلق الحمضي الناتج من خلال مرشح مصنوع من مادة البولي بروبيلين غير المنسوجة ويتم غسله بالماء حتى يصبح ماء الغسيل متعادلًا. يتم امتصاص الرواسب المغسولة في فراغ وتعبئتها في حاوية بلاستيكية محكمة الغلق. كان المحتوى الكتلي للمادة الجافة (الأنابيب النانوية) في المعجون الناتج 7.33% (والباقي عبارة عن ماء). تم تجفيف المنتج الناتج في فرن عند درجة حرارة 80 درجة مئوية إلى وزن ثابت.

إذا كانت كمية الهيبوكلوريت في خليط التفاعل مع الأنابيب النانوية زائدة عن الحد، فإن ذلك يسرع من أكسدة سطح الأنابيب النانوية، لكنه يخلق مشكلة بيئية لأنه عندما يتحمض الخليط، يطلق الهيبوكلوريت غير المتفاعل الكلور، وفقاً لمعادلة التفاعل:

2NaOCl+2НCl→2NaCl+Н 2 O+Сl 2

من أجل تحييد الهيبوكلوريت الزائد، يضاف بيروكسيد الهيدروجين إلى خليط التفاعل عند درجة حموضة أكبر من 10. كما أثبتنا، يحدث التفاعل التالي:

NaOCl+H2O2 →NaCl+H2O+O2

ونتيجة لذلك، يتم تشكيل منتجات غير ضارة.

لاختبار القابلية للذوبان (التشتت)، تم تفريق عينة من CNTM-1 في الماء أو المذيبات العضوية باستخدام العلاج بالموجات فوق الصوتية. وقد أظهرت التجارب أن CNTM-1 قابل للذوبان بدرجة عالية في الماء، ويفضل أن يكون ذلك عند درجة الحموضة الأساسية (التي يتم إنشاؤها عن طريق إضافة الأمونيا أو ثلاثي إيثانول أمين). إن إضافة القاعدة يشجع على تكوين محلول مستقر (تشتت) للأنابيب النانوية المعدلة، لأنه يؤدي إلى تأين مجموعات الكربوكسيل السطحية وظهور شحنة سالبة على الأنابيب النانوية.

في ثنائي ميثيل أسيتاميد (بدون إضافات أجنبية)، تم الحصول على محاليل شفافة مستقرة لـ CNTM-1 بتركيزات جماعية تبلغ 1 و2% عن طريق العلاج بالموجات فوق الصوتية. في هذه الحالة، يقوم ثنائي ميثيل أسيتاميد، وهو بحد ذاته قاعدة، بإذابة CNTM-1 بشكل فعال دون إضافة منظمات درجة الحموضة الدخيلة؛ كان المحلول 1% مستقرًا إلى أجل غير مسمى أثناء التخزين، بينما بدأ المحلول 2% في إظهار علامات الانسيابية بعد بضعة أيام. ولكن من دون تشكيل التكتلات.

للمقارنة، تمت دراسة الذوبان (تحت تأثير الموجات فوق الصوتية تحت نفس الظروف) في نفس مذيبات أنابيب الكربون النانوية Taunit-M، المؤكسدة وفقًا للإجراء الموضح في طريقة النموذج الأولي، مع خليط من أحماض النيتريك والكبريتيك بدون ميكانيكية. علاج. أظهرت التجارب أن الأنابيب النانوية الكربونية المؤكسدة بحمض النيتريك الزائد بدون معالجة ميكانيكية لها نفس قابلية الذوبان كتلك التي تم الحصول عليها وفقًا للاختراع المطالب به. ومع ذلك، فإن الطريقة المقترحة سهلة القياس، ولا توجد مشاكل في مقاومة تآكل المعدات ومشاكل بيئية في تحييد النفايات. تتم عملية المعالجة الميكانيكية الكيميائية وفقًا للطريقة المطالب بها في درجة حرارة الغرفة. تتطلب طريقة النموذج الأولي استخدام مثل هذا الفائض الكبير من أحماض النيتريك والكبريتيك، مما يجعل قياسه وضمان السلامة البيئية مشكلة كبيرة.

تؤكد البيانات المقدمة فعالية الطريقة المقترحة لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية المعدلة. في هذه الحالة، لا يتم استخدام المحاليل الحمضية العدوانية، كما هو الحال في طريقة النموذج الأولي، ويكون فقدان الكربون من الأنابيب النانوية بسبب الأكسدة إلى ثاني أكسيد الكربون (كربونات في محلول قلوي) غائبًا عمليًا.

وبالتالي، فإن الطريقة المقترحة تجعل من الممكن الحصول على أنابيب نانوية كربونية معدلة ذات تشتت جيد في الماء والمذيبات العضوية القطبية، ويمكن توسيع نطاقها بسهولة، وتضمن إنتاجًا صديقًا للبيئة.

1. طريقة لتعديل أنابيب الكربون النانوية، بما في ذلك معالجة أنابيب الكربون النانوية بمحلول مائي لعامل مؤكسد، وتتميز بأن معالجة أنابيب الكربون النانوية بمحلول مائي لعامل مؤكسد تتم في وقت واحد مع المعالجة الميكانيكية، ومحلول من يستخدم البيرسلفات أو الهيبوكلوريت كعامل مؤكسد عند درجة الحموضة أكثر من 10، ويؤخذ العامل المؤكسد بكمية تعادل 0.1 إلى 1 جرام من ذرة الأكسجين النشط لكل 1 جرام من ذرة أنابيب الكربون النانوية.

2. الطريقة وفقا للمطالبة 1، تتميز بأن المعالجة الميكانيكية تتم باستخدام مطحنة الخرز.

3. الطريقة طبقاً للمطالبة 1، والتي تتميز بأنه تتم إزالة الهيبوكلوريت الزائد في خليط التفاعل عند درجة حموضة أكبر من 10 عن طريق إضافة بيروكسيد الهيدروجين.

براءات الاختراع المماثلة:

يتعلق الاختراع بمادة مركبة كربونية مسامية. تتكون المادة المركبة الكربونية المسامية من (A) مادة كربونية مسامية تم الحصول عليها من مادة نباتية تحتوي على محتوى سيليكون (Si) بنسبة 5٪ أو أعلى كمواد خام، وهي مادة كربونية مسامية تحتوي على محتوى سيليكون يبلغ 1 بالوزن. % أو أقل، و(ب) مادة وظيفية مدعمة على مادة كربونية مسامية، ولها مساحة سطحية محددة تبلغ 10 م2/جم أو أكثر، كما يحددها امتصاص النيتروجين بطريقة BET، وحجم مسام 0.1 cm3/g أو أكثر، والذي يتم تحديده بواسطة طريقة BJH وطريقة MP.

يتعلق الاختراع بالصناعة الكيميائية. يتم الحصول على المواد المعدنية الكربونية على شكل خليط من ألياف الكربون وجزيئات النيكل المغلفة في الكربون غير المنظم بقطر يتراوح من 10 إلى 150 نانومتر عن طريق الانحلال الحراري الحفزي للإيثانول عند الضغط الجوي.

يمكن استخدام الاختراع في إنتاج المواد المركبة. تتم معالجة المواد النانوية الكربونية الأولية، مثل الأنابيب النانوية أو الخيوط النانوية أو الألياف النانوية، في خليط من حمض النيتريك والهيدروكلوريك عند درجة حرارة 50-100 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة على الأقل، ثم يتم غسلها بالماء وتجفيفها.

يتعلق الاختراع بمجال الكيمياء الفيزيائية والغروانية ويمكن استخدامه في تحضير تركيبات البوليمر. يتم الحصول على تعليق عضوي مشتت بدقة من الهياكل النانوية المحتوية على معدن الكربون من خلال تفاعل الهياكل النانوية والبولي إيثيلين بولي أمين.

يتعلق الاختراع بصناعة البتروكيماويات وكيمياء البلازما ويمكن استخدامه لمعالجة البلازما والتخلص من نفايات تكرير النفط. تتحلل مادة التغذية الهيدروكربونية السائلة 5 عن طريق التفريغ الكهربائي في جهاز التفريغ الموجود في غرفة مفرغة 6.

يتعلق الاختراع بمجال تكنولوجيا النانو، وبشكل أدق بطرق ملء التجاويف الداخلية للأنابيب النانوية بمواد كيميائية، ويمكن استخدامها لملء التجاويف الداخلية للأنابيب النانوية بالمادة اللازمة عند استخدامها على شكل حاويات نانوية ول إنتاج مواد نانوية ذات خصائص مفيدة جديدة.

يتعلق الاختراع بجهاز جرافين إلكتروني. يشتمل الجهاز الإلكتروني المرن والمرن الذي ينقل الضوء على قطب جرافين أول، وقطب جرافين ثاني، وشبه موصل جرافين، وقطب جرافين تحكم متوضع بين قطبي الجرافين الأول والثاني وعلى اتصال مع أشباه موصلات الجرافين.

الاستخدام: لإنتاج الدورة المغلقة لمنتجات الإلكترونيات النانوية الجديدة. يكمن جوهر الاختراع في حقيقة أنه في مجمع تكنولوجيا النانو يعتمد على تقنيات الأيونات والمسبار، بما في ذلك غرفة التوزيع مع وسائل الضخ، حيث يوجد موزع روبوت مركزي مع إمكانية الدوران المحوري، ويحتوي على قابض حاملات الركيزة ، في حين تحتوي غرفة التوزيع على فلنجات يتم توصيلها بغرفة التحميل ووحدة زرع الأيونات، فإن التقاط حاملات الركيزة لديه القدرة على التفاعل مع غرفة التحميل ووحدة زرع الأيونات، وقد تم تقديم وحدة قياس، بما في ذلك مجهر مسبار المسح ووحدة شعاع أيون مع نظام حاقنات الغاز، في حين أنهما متصلان بحواف غرفة التوزيع ولديهما القدرة على التفاعل مع التقاط حاملات الركيزة.جهاز كهروضوئي عضوي طريقة تصنيعه واستخدام المعدلات المحتوية على الفلور لتحسين خصائص الخلايا الشمسية العضوية // 2528416

يتعلق الاختراع بمجال الإلكترونيات العضوية، وبالتحديد الأجهزة الكهروضوئية العضوية (البطاريات الشمسية وأجهزة الكشف الضوئي) المصنوعة باستخدام مركبات عضوية تحتوي على الفلور كإضافات معدلة.

يتعلق الاختراع بمجال الكيمياء والبيولوجيا والطب الجزيئي، وبالتحديد طريقة لإنتاج نظام بحجم النانو لتوصيل نوكليوسيد ثلاثي الفوسفات. تتضمن الطريقة تعديل الناقل، الذي يستخدم جسيمات نانوية من ثاني أكسيد السيليكون تحتوي على أمينو يصل حجمها إلى 24 نانومتر، عن طريق معالجة الأخير باستخدام إستر N-هيدروكسي سوسينيميد لحمض أزيد أليفاتي، ثم الحصول على نوكليوسيد ثلاثي الفوسفات المعدل (pppN) عن طريق معالجة الأخير مع خليط من ثلاثي فينيل فوسفين/ديثيوديبيريدين، متبوعًا بحضانة pppN المشتق النشط الناتج مع 3-propynyloxypropylamine ثم تثبيت pppN المعدل على الجسيمات النانوية المعدلة بالأزيد الناتجة لمدة 2-4 ساعات.

يمكن استخدام الاختراع في الصناعة الكيميائية للتنقية الدقيقة لمخاليط الغاز المحتوية على الهيدروجين من أكاسيد الكربون عن طريق هدرجتها إلى الميثان. يتعلق الاختراع بطريقة لإنتاج محفز لعملية الميثان، بما في ذلك تشريب مادة حاملة تعتمد على أكسيد الألومنيوم النشط في شكل حبيبات في محلول يحتوي على نترات النيكل، يليه التجفيف عند درجة حرارة 100 درجة مئوية - 120 درجة مئوية. C والتكليس عند درجة حرارة 450 درجة مئوية - 500 درجة مئوية للحامل المشرب، بينما يتم إدخال مادة مضافة معدلة في محلول نترات النيكل - حمض عضوي بتركيز 0.5-20.0٪ بالوزن، ويحتوي المحفز النهائي على بلورات NiO أحادية بمتوسط حجم عينة يتراوح بين 2-3 نانومتر، مع تركيز NiO 12.0-25.0% بالوزن وγ-Al2O3 - الباقي. وتتكون النتيجة الفنية من إنشاء طريقة لإنتاج محفز الميثان مع زيادة الموثوقية والنشاط، مما يسمح بتقليل التكاليف وتقصير الفترة الزمنية لتنفيذ الطريقة. 2 الراتب ملفات، جدول واحد، 13 صفحة.

ويمكن استخدام الاختراع لإنتاج أنابيب نانوية كربونية معدلة. تتضمن طريقة تعديل أنابيب الكربون النانوية معالجة أنابيب الكربون النانوية بمحلول مائي لعامل مؤكسد، وهو محلول من فوق الكبريتات أو هيبوكلوريت عند درجة حموضة تزيد عن 10، ويتم إجراؤها بالتزامن مع المعالجة الميكانيكية. يتيح الاختراع الحصول على أنابيب نانوية كربونية معدلة ذات تشتت جيد في الماء والمذيبات العضوية القطبية مع استهلاك منخفض للكواشف مقارنة بالطرق المعروفة. 2 الراتب و-لي، 2 افي.

الطاقة صناعة مهمة تلعب دورًا كبيرًا في حياة الإنسان. يعتمد وضع الطاقة في البلاد على عمل العديد من العلماء في هذه الصناعة. واليوم يبحثون عن هذه الأغراض، فهم على استعداد لاستخدام أي شيء، من ضوء الشمس والماء إلى طاقة الهواء. تحظى المعدات التي يمكنها توليد الطاقة من البيئة بتقدير كبير.

معلومات عامة

الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن طائرات جرافيت طويلة ملفوفة ذات شكل أسطواني. وكقاعدة عامة، يصل سمكها إلى عدة عشرات من النانومترات، ويبلغ طولها عدة سنتيمترات. وفي نهاية الأنابيب النانوية يتكون رأس كروي، وهو أحد أجزاء الفوليرين.

هناك نوعان من أنابيب الكربون النانوية: المعدنية وأشباه الموصلات. الفرق الرئيسي بينهما هو الموصلية الحالية. النوع الأول يمكنه إجراء التيار عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، والثاني - فقط عند درجات حرارة مرتفعة.

أنابيب الكربون النانوية: الخصائص

ترتبط معظم المجالات الحديثة، مثل الكيمياء التطبيقية أو تكنولوجيا النانو، بالأنابيب النانوية، التي لها هيكل إطار كربوني. ما هو؟ يشير هذا الهيكل إلى جزيئات كبيرة متصلة ببعضها البعض فقط بواسطة ذرات الكربون. تحظى الأنابيب النانوية الكربونية، التي تعتمد خصائصها على غلاف مغلق، بتقدير كبير. بالإضافة إلى ذلك، هذه التشكيلات لها شكل أسطواني. ويمكن الحصول على مثل هذه الأنابيب عن طريق لف لوح من الجرافيت، أو تنميتها من محفز محدد. تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية، التي تظهر صورها أدناه، على بنية غير عادية.

أنها تأتي في أشكال وأحجام مختلفة: طبقة واحدة ومتعددة الطبقات، مستقيمة ومنحنية. على الرغم من أن الأنابيب النانوية تبدو هشة للغاية، إلا أنها مادة قوية. ونتيجة للعديد من الدراسات تبين أن لها خصائص مثل التمدد والانحناء. تحت تأثير الأحمال الميكانيكية الخطيرة، لا تمزق العناصر ولا تنكسر، أي أنها يمكن أن تتكيف مع الفولتية المختلفة.

تسمم

ونتيجة لدراسات متعددة، تبين أن أنابيب الكربون النانوية يمكن أن تسبب نفس المشاكل التي تسببها ألياف الأسبستوس، أي حدوث أورام خبيثة مختلفة، وكذلك سرطان الرئة. تعتمد درجة التأثير السلبي للأسبستوس على نوع وسمك أليافه. وبما أن أنابيب الكربون النانوية صغيرة الوزن والحجم، فإنها تدخل بسهولة إلى جسم الإنسان مع الهواء. بعد ذلك، يدخلون غشاء الجنب ويدخلون الصدر، ومع مرور الوقت يسببون مضاعفات مختلفة. أجرى العلماء تجربة وأضافوا جزيئات الأنابيب النانوية إلى طعام الفئران. المنتجات ذات القطر الصغير لم تبقى عمليا في الجسم، لكن المنتجات الأكبر حجما تحفر في جدران المعدة وتسبب أمراضا مختلفة.

طرق الاستلام

اليوم، هناك الطرق التالية لإنتاج أنابيب الكربون النانوية: الشحن القوسي، الاجتثاث، ترسيب البخار.

تفريغ القوس الكهربائي. الحصول على (أنابيب الكربون النانوية الموصوفة في هذه المقالة) شحنة كهربائية في البلازما، والتي تحترق باستخدام الهيليوم. يمكن تنفيذ هذه العملية باستخدام معدات تقنية خاصة لإنتاج الفوليرين. لكن هذه الطريقة تستخدم أوضاع حرق القوس الأخرى. على سبيل المثال، يتم تقليله، كما يتم استخدام كاثودات ذات سماكة هائلة. لخلق جو من الهيليوم، من الضروري زيادة ضغط هذا العنصر الكيميائي. يتم إنتاج أنابيب الكربون النانوية عن طريق الرش. من أجل زيادة عددهم، من الضروري إدخال محفز في قضيب الجرافيت. غالبًا ما يكون مزيجًا من مجموعات معدنية مختلفة. بعد ذلك، يتم تغيير طريقة الضغط والرش. وبالتالي، يتم الحصول على رواسب الكاثود، حيث يتم تشكيل أنابيب الكربون النانوية. تنمو المنتجات النهائية بشكل عمودي على الكاثود ويتم تجميعها في حزم. يبلغ طولها 40 ميكرون.

استئصال. اخترع هذه الطريقة ريتشارد سمالي. جوهرها هو تبخير أسطح الجرافيت المختلفة في مفاعل يعمل عند درجات حرارة عالية. وتتكون الأنابيب النانوية الكربونية عن طريق تبخر الجرافيت في قاع المفاعل.

يتم تبريدها وجمعها باستخدام سطح التبريد. إذا كان عدد العناصر في الحالة الأولى يساوي 60٪، فباستخدام هذه الطريقة زاد الرقم بنسبة 10٪. تكلفة طريقة التذويب بالليزر أغلى من جميع الطرق الأخرى. وكقاعدة عامة، يتم الحصول على الأنابيب النانوية أحادية الجدار عن طريق تغيير درجة حرارة التفاعل.

ترسب بخاري. تم اختراع طريقة ترسيب بخار الكربون في أواخر الخمسينيات. لكن لم يتخيل أحد حتى أنه يمكن استخدامه لإنتاج أنابيب الكربون النانوية. لذا، عليك أولاً تحضير السطح باستخدام المحفز. يمكن أن تكون جزيئات صغيرة من معادن مختلفة، على سبيل المثال، الكوبالت والنيكل وغيرها الكثير. تبدأ الأنابيب النانوية في الظهور من طبقة المحفز. يعتمد سمكها بشكل مباشر على حجم المعدن الحفاز. يتم تسخين السطح إلى درجات حرارة عالية، ومن ثم يتم توفير غاز يحتوي على الكربون. من بينها الميثان والأسيتيلين والإيثانول وما إلى ذلك. تعمل الأمونيا كغاز تقني إضافي. هذه الطريقة لإنتاج الأنابيب النانوية هي الأكثر شيوعًا. تتم العملية نفسها في العديد من المؤسسات الصناعية، والتي يتم من خلالها إنفاق موارد مالية أقل على إنتاج عدد كبير من الأنابيب. ميزة أخرى لهذه الطريقة هي أنه يمكن الحصول على العناصر الرأسية من أي جزيئات معدنية تعمل كمحفز. أصبح الإنتاج (وصف أنابيب الكربون النانوية من جميع الجوانب) ممكنًا بفضل بحث Suomi Iijima، الذي لاحظ ظهورها تحت المجهر نتيجة لتخليق الكربون.

أنواع رئيسية

يتم تصنيف عناصر الكربون حسب عدد الطبقات. أبسط نوع هو أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار. يبلغ سمك كل منها حوالي 1 نانومتر، ويمكن أن يكون طولها أكبر من ذلك بكثير. إذا نظرنا إلى الهيكل، فإن المنتج يبدو وكأنه تغليف الجرافيت باستخدام شبكة سداسية. في قممها توجد ذرات الكربون. وبالتالي، فإن الأنبوب له شكل أسطوانة، وليس له طبقات. الجزء العلوي من الأجهزة مغلق بأغطية تتكون من جزيئات الفوليرين.

النوع التالي هو أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران. وهي تتكون من عدة طبقات من الجرافيت، والتي يتم طيها على شكل أسطوانة. يتم الحفاظ على مسافة 0.34 نانومتر بينهما. يتم وصف هذا النوع من الهيكل بطريقتين. وفقا للأول، فإن الأنابيب متعددة الطبقات عبارة عن عدة أنابيب أحادية الطبقة متداخلة داخل بعضها البعض، والتي تبدو وكأنها دمية التعشيش. ووفقا للثاني، فإن الأنابيب النانوية متعددة الجدران هي عبارة عن ورقة من الجرافيت تلتف حول نفسها عدة مرات، على غرار صحيفة مطوية.

أنابيب الكربون النانوية: التطبيق

تعتبر العناصر ممثلًا جديدًا تمامًا لفئة المواد النانوية.

كما ذكرنا سابقًا، لديهم هيكل إطار يختلف في خصائصه عن الجرافيت أو الماس. هذا هو السبب في أنها تستخدم في كثير من الأحيان أكثر من المواد الأخرى.

نظرًا لخصائصها مثل القوة والانحناء والموصلية، يتم استخدامها في العديد من المجالات:

كمضافات للبوليمرات.
محفز لأجهزة الإضاءة، وكذلك شاشات العرض المسطحة والأنابيب في شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية؛
كممتص للموجات الكهرومغناطيسية.
لتحويل الطاقة.
إنتاج الأنودات في أنواع مختلفة من البطاريات؛
تخزين الهيدروجين؛
تصنيع أجهزة الاستشعار والمكثفات.
إنتاج المواد المركبة وتعزيز بنيتها وخصائصها.

لسنوات عديدة، تم استخدام أنابيب الكربون النانوية، التي لا تقتصر تطبيقاتها على صناعة معينة، في البحث العلمي. تتمتع هذه المادة بمكانة ضعيفة في السوق حيث توجد مشاكل في الإنتاج على نطاق واسع. نقطة أخرى مهمة هي التكلفة العالية لأنابيب الكربون النانوية، والتي تبلغ حوالي 120 دولارًا للجرام الواحد من هذه المادة.

يتم استخدامها كعنصر أساسي في إنتاج العديد من المواد المركبة، والتي تستخدم في صناعة العديد من السلع الرياضية. صناعة أخرى هي صناعة السيارات. إن تفعيل أنابيب الكربون النانوية في هذا المجال يعود إلى نقل الخصائص الموصلة للبوليمرات.

إن معامل التوصيل الحراري للأنابيب النانوية مرتفع جدًا، لذا يمكن استخدامها كجهاز تبريد لمختلف المعدات الضخمة. كما أنها تستخدم أيضًا في صنع النصائح المرفقة بأنابيب المسبار.

مجال التطبيق الأكثر أهمية هو تكنولوجيا الكمبيوتر. بفضل الأنابيب النانوية، يتم إنشاء شاشات العرض المسطحة بشكل خاص. باستخدامها، يمكنك تقليل الأبعاد الإجمالية للكمبيوتر نفسه بشكل كبير، وكذلك زيادة أدائه الفني. ستكون المعدات النهائية متفوقة عدة مرات على التقنيات الحالية. وبناء على هذه الدراسات يمكن إنشاء أنابيب صور ذات جهد عالي.

وبمرور الوقت، سيتم استخدام الأنابيب ليس فقط في مجال الإلكترونيات، ولكن أيضًا في المجالات الطبية والطاقة.

إنتاج

أما أنابيب الكربون، التي ينقسم إنتاجها بين نوعين، فهي موزعة بشكل غير متساو.

وهذا يعني أن MWNTs يتم إنتاجها أكثر بكثير من SWNTs. أما النوع الثاني فيتم في حالة الحاجة الملحة. تنتج شركات مختلفة باستمرار أنابيب الكربون النانوية. لكنهم ليسوا في الطلب عمليا، لأن تكلفتهم مرتفعة للغاية.

قادة الإنتاج

اليوم، تحتل الدول الآسيوية المكانة الرائدة في إنتاج أنابيب الكربون النانوية، وهي أعلى بثلاث مرات من الدول الأخرى في أوروبا وأمريكا. على وجه الخصوص، تعمل اليابان في إنتاج MWNTs. لكن الدول الأخرى، مثل كوريا والصين، ليست أقل شأنا بأي حال من الأحوال في هذا المؤشر.

الإنتاج في روسيا

يتخلف الإنتاج المحلي لأنابيب الكربون النانوية بشكل كبير عن الدول الأخرى. في الواقع، كل هذا يتوقف على جودة الأبحاث التي يتم إجراؤها في هذا المجال. لا توجد موارد مالية كافية هنا لإنشاء مراكز علمية وتكنولوجية في البلاد. كثير من الناس لا يتقبلون التطورات في تكنولوجيا النانو لأنهم لا يعرفون كيف يمكن استخدامها في الصناعة. ولذلك فإن انتقال الاقتصاد إلى مسار جديد أمر صعب للغاية.

ولذلك أصدر رئيس روسيا مرسوماً يوضح مسارات التطوير لمختلف مجالات تكنولوجيا النانو، بما في ذلك عناصر الكربون. ولهذه الأغراض، تم إنشاء برنامج خاص للتطوير والتكنولوجيا.

لضمان تنفيذ جميع نقاط الطلب، تم إنشاء شركة "Rusnanotech". وقد تم تخصيص مبلغ كبير من ميزانية الدولة لتشغيله. هي التي يجب أن تتحكم في عملية التطوير والإنتاج والتنفيذ الصناعي لأنابيب الكربون النانوية. سيتم إنفاق المبلغ المخصص على إنشاء معاهد ومختبرات بحثية مختلفة، كما سيعزز العمل الحالي للعلماء المحليين. سيتم استخدام هذه الأموال أيضًا لشراء معدات عالية الجودة لإنتاج أنابيب الكربون النانوية. ومن الجدير أيضًا الاهتمام بتلك الأجهزة التي من شأنها حماية صحة الإنسان، لأن هذه المادة تسبب العديد من الأمراض.

كما ذكرنا سابقًا، المشكلة برمتها تكمن في جمع الأموال. معظم المستثمرين لا يرغبون في الاستثمار في التطورات العلمية، خاصة لفترة طويلة. يرغب جميع رجال الأعمال في رؤية الأرباح، لكن تطوير النانو قد يستغرق سنوات. وهذا ما يصد ممثلي الشركات الصغيرة والمتوسطة. بالإضافة إلى ذلك، بدون الاستثمار الحكومي، لن يكون من الممكن إطلاق إنتاج المواد النانوية بشكل كامل.

وهناك مشكلة أخرى تتمثل في عدم وجود إطار قانوني، حيث لا توجد صلة وسيطة بين المستويات المختلفة للأعمال. لذلك، فإن أنابيب الكربون النانوية، التي لا يوجد طلب على إنتاجها في روسيا، لا تتطلب استثمارات مالية فحسب، بل تتطلب أيضًا استثمارات عقلية. حتى الآن، لا يزال الاتحاد الروسي بعيدًا عن الدول الآسيوية الرائدة في تطوير تقنيات النانو.

واليوم، يتم تنفيذ التطورات في هذه الصناعة في كليات الكيمياء في جامعات مختلفة في موسكو وتامبوف وسانت بطرسبرغ ونوفوسيبيرسك وكازان. المنتجون الرئيسيون لأنابيب الكربون النانوية هم شركة Granat ومصنع تامبوف كومسوموليتس.

الجوانب الإيجابية والسلبية

ومن بين المزايا الخصائص الخاصة لأنابيب الكربون النانوية. إنها مادة متينة لا تنهار تحت الضغط الميكانيكي. بالإضافة إلى ذلك، فهي تعمل بشكل جيد في الانحناء والتمدد. وقد أصبح هذا ممكنا بفضل هيكل الإطار المغلق. ولا يقتصر استخدامها على صناعة واحدة. وقد وجدت الأنابيب تطبيقًا في صناعة السيارات والإلكترونيات والطب والطاقة.

العيب الكبير هو التأثير السلبي على صحة الإنسان.

دخول جزيئات الأنابيب النانوية إلى جسم الإنسان يؤدي إلى ظهور الأورام الخبيثة والسرطان.

الجانب الأساسي هو تمويل هذه الصناعة. كثير من الناس لا يرغبون في الاستثمار في العلوم، لأن الأمر يستغرق الكثير من الوقت لتحقيق الربح. وبدون عمل مختبرات الأبحاث، فإن تطوير تكنولوجيا النانو أمر مستحيل.

خاتمة

تلعب أنابيب الكربون النانوية دورًا مهمًا في التقنيات المبتكرة. ويتوقع العديد من الخبراء نمو هذه الصناعة في السنوات المقبلة. وستكون هناك زيادة كبيرة في القدرات الإنتاجية، مما سيؤدي إلى انخفاض تكلفة البضائع. ومع انخفاض الأسعار، سيكون هناك طلب كبير على الأنابيب وستصبح مادة لا غنى عنها للعديد من الأجهزة والمعدات.

لذلك، اكتشفنا ما هي هذه المنتجات.

· التطبيق · التأثير السام · مقالات ذات صلة · تعليقات · ملاحظات · الأدب · الموقع الرسمي ·

مخططات هيكل التعديلات المختلفة للكربون
أ: الماس، ب: الجرافيت، ج: لونسداليت
د: الفوليرين - بوكي بول C 60، ه: الفوليرين C 540، F: الفوليرين C 70
ز: الكربون غير المتبلور، ح: أنابيب الكربون

المزيد من التفاصيل: تآصل الكربون

الكربون البلوري

الماس
الجرافين
الجرافيت
كاربين
لونسداليت
الماس النانوي
الفوليرين
الفوليريت
ألياف كربونيه
ألياف الكربون النانوية
أنابيب الكربون النانوية

الكربون غير المتبلور

كربون مفعل
فحم
الفحم الأحفوري: الأنثراسيت، إلخ.
فحم الكوك، فحم الكوك البترول، الخ.
الكربون الزجاجي
أسود فاحم
رغوة النانو الكربونية

من الناحية العملية، بشكل عام، فإن الأشكال غير المتبلورة المذكورة أعلاه هي مركبات كيميائية تحتوي على نسبة عالية من الكربون، بدلاً من الشكل النقي المتآصل للكربون.

أشكال الكتلة

نجمي
ديكربون
جزيئات النانو الكربونية

بناء

يمكن أن يكون للمدارات الإلكترونية لذرة الكربون أشكال هندسية مختلفة، بناءً على درجة تهجين مداراتها الإلكترونية. هناك ثلاثة أشكال هندسية أساسية لذرة الكربون.

رباعي السطوح، يتكون من خلط إلكترون واحد s وثلاثة إلكترونات (تهجين sp 3). تقع ذرة الكربون في مركز رباعي السطوح، وترتبط بأربعة روابط مكافئة للكربون أو ذرات أخرى عند رؤوس رباعي السطوح. تتوافق تعديلات الكربون المتآصلة للماس واللونسداليت مع هندسة ذرة الكربون. يظهر الكربون مثل هذا التهجين، على سبيل المثال، في الميثان والهيدروكربونات الأخرى.
ثلاثي الزوايا، يتكون من مزج مدار إلكترون واحد واثنين من مدارات الإلكترون (تهجين sp2). تحتوي ذرة الكربون على ثلاث روابط مكافئة تقع في نفس المستوى بزاوية 120 درجة مع بعضها البعض. يستخدم المدار p، الذي لا يشارك في التهجين ويقع بشكل عمودي على مستوى الروابط، لتكوين روابط مع ذرات أخرى. تتميز هندسة الكربون هذه بخصائص الجرافيت والفينول وما إلى ذلك.
Digonal، يتكون من خلط إلكترون s وواحد p (تهجين sp). بالإضافة إلى ذلك، يتم تمديد سحابتين إلكترونيتين في نفس الاتجاه وتبدوان مثل الدمبل غير المتماثلة. الإلكترونان الآخران يصنعان روابط. يشكل الكربون بمثل هذه الهندسة الذرية تعديلاً خاصًا متآصلًا - كارباين.

في عام 2010، حصل باحثون من جامعة نوتنغهام ستيفن ليدل وزملاؤه على مركب (ديليثيو ميثانديوم أحادي) حيث توجد أربع روابط لذرات الكربون في نفس المستوى. إمكانية وجود "الكربون المسطح" سبق أن تنبأ بها بول فون شلاير، ولكن لم يتم تصنيعه.

الجرافيت والماس

التعديلات الرئيسية والمدروسة جيدًا للكربون هي الماس والجرافيت. في ظل الظروف العادية، يكون الجرافيت فقط هو المستقر من الناحية الديناميكية الحرارية، في حين أن الماس والأشكال الأخرى تكون شبه مستقرة. عند الضغط الجوي ودرجات الحرارة الأعلى من 1200 كلفن، يبدأ الألماس بالتحول إلى الجرافيت، أما فوق 2100 كلفن، فيتم التحول في ثوانٍ. انتقال H 0 - 1.898 كيلوجول/مول. عند الضغط الطبيعي، يتسامى الكربون عند درجة حرارة 3780 كلفن. ويوجد الكربون السائل فقط عند ضغط خارجي معين. النقاط الثلاثية: بخار سائل الجرافيت T = 4130 كلفن، ر= 10.7 ميجا باسكال. يحدث الانتقال المباشر للجرافيت إلى الماس عند درجة حرارة 3000 كلفن وضغط يتراوح بين 11-12 جيجا باسكال.

عند ضغوط أعلى من 60 جيجا باسكال، يُفترض تكوين تعديل كثيف للغاية C III (كثافة أعلى بنسبة 15-20٪ من كثافة الماس)، والذي يتمتع بموصلية معدنية. عند ضغوط عالية ودرجات حرارة منخفضة نسبيًا (حوالي 1200 كلفن)، يتم تشكيل تعديل سداسي للكربون مع شبكة بلورية من نوع الورتزايت - لونسداليت (أ = 0.252 نانومتر، ج = 0.412 نانومتر، مجموعة فضائية) من الجرافيت عالي التوجيه ص63/مك) ، الكثافة 3.51 جم / سم3، أي نفس كثافة الماس. تم العثور على Lonsdaleite أيضًا في النيازك.

الماس فائق التشتت (الماس النانوي)

في الثمانينات في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، وجد أنه في ظل ظروف التحميل الديناميكي للمواد المحتوية على الكربون، يمكن أن تتشكل هياكل تشبه الماس، تسمى الماس متناهية الصغر (UDD). اليوم، يتم استخدام مصطلح "الماس النانوي" بشكل متزايد. ويبلغ حجم الجسيمات في مثل هذه المواد بضعة نانومترات. يمكن تحقيق شروط تكوين UDD أثناء تفجير المتفجرات ذات توازن الأكسجين السلبي الكبير، على سبيل المثال، مخاليط مادة تي إن تي مع الهكسوجين. ويمكن أيضًا تحقيق مثل هذه الظروف أثناء اصطدام الأجرام السماوية بسطح الأرض في وجود مواد تحتوي على الكربون (المواد العضوية، والجفت، والفحم، وما إلى ذلك). وهكذا، في منطقة سقوط نيزك تونغوسكا، تم اكتشاف UDAs في أرضية الغابة.

كاربين

يُطلق على التعديل البلوري للكربون في النظام السداسي ببنية سلسلة من الجزيئات اسم Carbyne. تحتوي السلاسل إما على بنية بوليين (-CC-) أو بنية متعددة الركامات (=C=C=). هناك عدة أشكال معروفة من الكارباين، تختلف في عدد الذرات في خلية الوحدة، وأحجام الخلايا وكثافتها (2.68-3.30 جم/سم3). يوجد الكارباين في الطبيعة على شكل معدن تشاويت (عروق بيضاء وشوائب في الجرافيت) ويتم الحصول عليه بشكل مصطنع - عن طريق التكثيف المؤكسد للهيدروبوليك للأسيتيلين، عن طريق عمل إشعاع الليزر على الجرافيت، من الهيدروكربونات أو CCl 4 في البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة.

الكاربين عبارة عن مسحوق أسود بلوري ناعم (كثافة 1.9-2 جم / سم 3) وله خصائص أشباه الموصلات. يتم الحصول عليها في ظروف اصطناعية من سلاسل طويلة من ذرات الكربون الموازية لبعضها البعض.

كارباين هو بوليمر خطي من الكربون. في جزيء الكارباين، ترتبط ذرات الكربون في سلاسل بالتناوب إما عن طريق روابط ثلاثية ومفردة (بنية البوليين) أو بشكل دائم عن طريق روابط مزدوجة (بنية متعددة الركامات). تم الحصول على هذه المادة لأول مرة من قبل الكيميائيين السوفييت V. V. Korshak، A. M. Sladkov، V. I. Kasatochkin و Yu.P. Kudryavtsev في أوائل الستينيات. في معهد مركبات العناصر العضوية التابع لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. يتمتع الكارباين بخصائص شبه موصلة، وتزداد موصليته بشكل كبير عند تعرضه للضوء. التطبيق العملي الأول يعتمد على هذه الخاصية – في الخلايا الكهروضوئية.

الفوليرين وأنابيب الكربون النانوية

يُعرف الكربون أيضًا على شكل جسيمات عنقودية C 60، C 70، C 80، C 90، C 100 وما شابه ذلك (Fullerenes)، بالإضافة إلى الجرافين والأنابيب النانوية والهياكل المعقدة - الأسترالينات.

الكربون غير المتبلور (الهيكل)

يعتمد هيكل الكربون غير المتبلور على التركيب المضطرب للجرافيت أحادي البلورة (يحتوي دائمًا على شوائب). هذه هي فحم الكوك والفحم البني والأسود وأسود الكربون والسخام والكربون المنشط.

الجرافين

المزيد من التفاصيل: الجرافين

الجرافين عبارة عن تعديل متآصل ثنائي الأبعاد للكربون، يتكون من طبقة من ذرات الكربون بسمك ذرة واحدة، متصلة عبر روابط sp في شبكة بلورية سداسية ثنائية الأبعاد.

تُعرف الأنابيب النانوية الكربونية بخصائصها الميكانيكية والكهربائية والحرارية الفريدة، وهي مناسبة لمجموعة واسعة من تطبيقات البوليمر. تم قياس معامل يونغ البالغ 1000 GPa وقوة الشد البالغة 60 GPa على الهيكل الفردي. هذه المؤشرات أعلى بعدة مرات من مؤشرات اللدائن الهندسية التقليدية. كما تم إثبات الموصلية الكهربائية والحرارية العالية تجريبيًا، حيث تقترب قيمها من قيم المعادن أو تتجاوزها. هذا المزيج من الخصائص وشكل المنتج، المتوافق مع تقنيات معالجة البوليمر الحديثة، يضمن إنشاء مواد هيكلية جديدة.

التطبيق التجاري
أصبح استخدام أنابيب الكربون النانوية لنقل خصائص موصلة ومضادة للكهرباء الساكنة للبوليمرات الآن ممارسة تجارية ويتوسع في صناعات مثل الإلكترونيات وصناعة السيارات. يوضح الشكل 1 صورة نموذجية لموصلية اللدائن الحرارية الهندسية. يمكن أن تكون الحشوة لتحقيق النقل الكهربائي في حالة أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران أقل بمقدار 5-10 مرات من أسود الكربون الموصل. يتم إجراء مقارنات مماثلة في الراتنجات المتصلدة بالحرارة مثل الإيبوكسي، ولكن بحشوة أقل بكثير. يمكن تفسير هذه الظاهرة من خلال نظرية الترشيح: يتم إنشاء مسار لتدفق الإلكترون عندما تكون الجسيمات قريبة جدًا من بعضها البعض أو عندما تصل إلى عتبة الترشيح. تعمل هياكل الألياف ذات النسبة العالية (الطول / القطر) على زيادة عدد الاتصالات الكهربائية وتوفير مسار أكثر اتساقًا. عادة ما تكون النسبة الهندسية للأنابيب النانوية الهيدروكربونية في المنتج النهائي (مثل الأجزاء المقولبة بالحقن) أكبر من 100 مقارنة بألياف الكربون القصيرة (<30) и техническим углеродом (>1). وهذا ما يفسر الجرعة الأقل المطلوبة لمقاومة معينة. يمكن أن يختلف سلوك الترشيح اعتمادًا على نوع الراتينج واللزوجة وطريقة معالجة البوليمر.

أرز. 1. اعتماد التوصيل الكهربائي على محتوى حشوات الكربون: أنابيب الكربون النانوية، أسود الكربون عالي التوصيل، أسود الكربون القياسي.

يمكن أن يوفر محتوى الحشو المنخفض العديد من الفوائد مثل تحسين قابلية المعالجة، ومظهر السطح، وتقليل الترهل، وزيادة القدرة على الاحتفاظ بالخصائص الميكانيكية للبوليمر الأصلي. وقد مكنت هذه المزايا من إدخال أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران في تطبيقات البوليمر الموصلة، الجدول 1. وفي هذه التطبيقات، يمكنها التنافس مع المواد المضافة مثل أسود الكربون عالي التوصيل وألياف الكربون على أساس التكلفة / الأداء أو على أساس فريد من نوعه. الخصائص التي لا يمكن تحقيقها أو مطابقتها لمواصفات المنتج.

الجدول 1. التطبيقات التجارية للبوليمرات الموصلة مع أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران.

سوق	طلب	خصائص التركيبات المعتمدة على أنابيب الكربون النانوية
سيارات	أجزاء نظام الوقود وخطوط الوقود (الموصلات، أجزاء المضخة، الحلقات الدائرية، الأنابيب)، أجزاء الجسم الخارجية للطلاء الكهربائي (المصدات، أغلفة المرايا، أغطية خزان الوقود)	تحسين توازن الخصائص مقارنة بأسود الكربون، وقابلية إعادة التدوير للأجزاء الكبيرة، ومقاومة التشوه
إلكترونيات	أدوات ومعدات المعالجة، وأشرطة الويفر، والأحزمة الناقلة، وكتل التوصيل البيني، ومعدات الغرف النظيفة	تحسين نقاء المركبات مقارنة بألياف الكربون، التحكم في مقاومة السطح، قابلية المعالجة لصب الأجزاء الرقيقة، مقاومة التشوه، الخصائص المتوازنة، القدرات البديلة للمركبات البلاستيكية مقارنة بألياف الكربون

يعتمد دمج الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران في المواد البلاستيكية أو المطاطية على الأجهزة القياسية نسبيًا المستخدمة في مركبات المطاط واللدائن الحرارية، مثل أجهزة البثق اللولبية الدقيقة وخلاطات المطاط المغلقة. يمكن توفير أنابيب النانو الكربونية متعددة الجدران من Nanocyl في شكل مسحوق (Nanocyl® 7000) أو مركزات لدن بالحرارة (PlastiCyl™).

تطبيق المواد المركبة للأغراض الهيكلية
إن القوة الاستثنائية لأنابيب الكربون النانوية لها تطبيقات مفيدة في إنشاء أنواع مختلفة من السلع الرياضية القائمة على مواد مركبة من ألياف الكربون وراتنجات الايبوكسي. لتسهيل الدمج وتحسين الارتباط مع الطور الرابط (مثل الإيبوكسي أو البولي يوريثين)، عادةً ما يتم تعديل أنابيب الكربون النانوية كيميائيًا على السطح. يتراوح التحسن النموذجي الذي يتم قياسه على المواد المركبة المقواة بالألياف من 10 إلى 50% من حيث القوة والحمل المباشر. يمكن أن يكون هذا المستوى من التعزيز مهمًا بالنسبة لمادة مركبة معينة، وعادةً ما يكون محدودًا بخصائص الراتينج.

تطورات جديدة
كما توفر شبكة الهياكل الموصلة الرفيعة بشكل استثنائي، مثل أنابيب الكربون النانوية، فرصًا جديدة في تكنولوجيا الأغشية الرقيقة، بما في ذلك الطلاءات الشفافة والموصلة المقاومة للكهرباء الاستاتيكية ذات الموصلية الدائمة، والخواص الميكانيكية المحسنة والمقاومة الكيميائية المحسنة. ويجري حاليًا تطوير تقنيات الأفلام الشفافة عالية التوصيل والتي ستتنافس في المستقبل القريب مع تقنيات أكسيد المعادن، مثل تقنية رش أكسيد القصدير الإنديوم، المستخدمة اليوم لصنع أقطاب كهربائية شفافة في شاشات العرض المسطحة والتصميمات الأكثر محدودية مثل شاشات العرض المرنة.
تم تطوير تقنية حديثة لإنتاج الورق باستخدام أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران. يتم استخدام هذا الورق لإنشاء طبقة حاجز حراري أكثر مرونة لحماية مرايا السيارة من الجليد والتدفئة تحت الأرضية وأجهزة التدفئة الأخرى.
يتم إجراء الأبحاث على خصائص جديدة يتم الحصول عليها من خلال الإضافات البسيطة لأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران إلى البوليمرات، مثل مقاومة الحريق ومقاومة التعفن، مما قد يؤدي إلى تطوير منتجات جديدة أكثر توافقًا مع المتطلبات البيئية الحديثة وقد تم تحسينها الأداء مقارنة بالمواد الموجودة، مع مراعاة توفير التكاليف.

اللدائن المسلحة
يستخدم أسود الكربون ومواد حشو المساحيق الأخرى على نطاق واسع لتعزيز المطاط في الإطارات والمطاط الصناعي الآخر. قد تحتوي التركيبة على تحميل عالي من مواد الحشو لزيادة القوة والصلابة إلى المستوى المطلوب (أكثر من 50% بالوزن)، ولكنها قد تفتقر إلى المرونة في بعض التطبيقات. يمكن أن يؤدي استبدال 5-10% من الحشو بأنابيب كربونية نانوية متعددة الجدران مثل Nanocyl® 7000 إلى توفير مواد مطاطية عالية الأداء بمستويات مماثلة من القوة والصلابة مع تحسين المرونة، مما يوفر توازنًا جديدًا للخصائص الميكانيكية لا مثيل له في المواد التقليدية.

أصبح استخدام أنابيب الكربون النانوية للأغراض التجارية حقيقة واقعة الآن ويجذب اهتمامًا متزايدًا. وهذا يعني أنها مقبولة من قبل الصناعة باعتبارها مكونًا ذا قيمة مضافة يتنافس مع الخيارات الأخرى التي تنظمها معايير الصناعة. تجري الأبحاث حاليًا حول خصائص جديدة مفيدة وغير متوقعة لأنابيب الكربون النانوية والتي من شأنها توسيع نطاق تغلغلها في صناعة البوليمر.

تُستخدم مواد الكربون المسحوقة (الجرافيت، والكربون، وأسود الكربون، والأنابيب النانوية الكربونية، والجرافين) على نطاق واسع كمواد حشو وظيفية لمختلف المواد، ويتم تحديد الخواص الكهربائية للمركبات التي تحتوي على حشوات الكربون من خلال بنية وخصائص الكربون، فضلاً عن تكنولوجيا إنتاجهم. الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن مادة مسحوقية مصنوعة من هياكل إطارية من الشكل المتآصل للكربون على شكل أنابيب الكربون النانوية المجوفة متعددة الجدران بقطر خارجي يتراوح بين 10-100 نانومتر (الشكل 1). كما هو معروف، تعتمد المقاومة الكهربائية (ρ، Ohm∙m) للأنابيب النانوية الكربونية على طريقة تركيبها وتنقيتها ويمكن أن تتراوح من 5∙10-8 إلى 0.008 أوم∙m، وهو أقل من
في الجرافيت.
عند إنتاج مركبات موصلة، يتم إضافة مواد عالية التوصيل (المساحيق المعدنية، أسود الكربون، الجرافيت، الكربون والألياف المعدنية) إلى العازل. يتيح لك ذلك تغيير التوصيل الكهربائي والخصائص العازلة لمركبات البوليمر.
أجريت هذه الدراسة لتحديد إمكانية تغيير المقاومة الكهربائية للأنابيب النانوية الكربونية من خلال تعديلها. سيؤدي ذلك إلى توسيع استخدام هذه الأنابيب كمواد حشو لمركبات البوليمر ذات التوصيل الكهربائي المخطط لها. استخدم العمل عينات من مساحيق CNT التي تنتجها شركة ALIT-ISM (زيتومير، كييف) ومساحيق CNT المعرضة للتعديل الكيميائي. لمقارنة الخصائص الكهربائية للمواد الكربونية، استخدمنا عينات من CNT "Taunit" (Tambov)، تم تصنيعها وفقًا لـ TU 2166-001-02069289-2007، CNT LLC "TMSpetsmash" (Kyiv)، المصنعة وفقًا لـ TU U 24.1-03291669 -009:2009، بوتقة الجرافيت . يتم تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية التي تنتجها ALIT-ISM وTaunit بواسطة طريقة CVD على محفز NiO/MgO، ويتم تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية بواسطة TMSpetsmash LLC على محفز FeO/NiO (الشكل 2). وفي الدراسة وبنفس الظروف وبنفس الطرق المطورة تم تحديد الخصائص الكهربائية لعينات من المواد الكربونية. تم حساب المقاومة الكهربائية للعينات من خلال تحديد خصائص الجهد الحالي لعينة من المسحوق الجاف المضغوط عند ضغط 50 كجم (الجدول 1).
أظهر تعديل الأنابيب النانوية الكربونية (رقم 1-4) إمكانية تغيير الخصائص الكهروفيزيائية للأنابيب النانوية الكربونية باستخدام التأثيرات الفيزيائية والكيميائية (انظر الجدول 1). وعلى وجه الخصوص، تم تقليل المقاومة الكهربائية للعينة الأصلية بمقدار 1.5 مرة (رقم 1)؛ وبالنسبة للعينات رقم 2-4 – زيادة بمقدار 1.5-3 مرات.
وفي الوقت نفسه، انخفض إجمالي كمية الشوائب (الحصة في شكل بقايا غير قابلة للاحتراق) من
2.21 (CNTs الأصلية) إلى 1.8% لـ
العينة رقم 1 وتصل إلى 0.5% للعينة رقم 3. انخفضت الحساسية المغناطيسية النوعية للعينات رقم 2-4 من 127∙10-8 إلى 3.9∙10-8 م3/كجم. زادت المساحة السطحية المحددة لجميع العينات بنسبة 40٪ تقريبًا. من بين الأنابيب النانوية الكربونية المعدلة، تم تسجيل الحد الأدنى من المقاومة الكهربائية (574∙10-6 أوم∙م) في العينة رقم 1، وهي قريبة من مقاومة الجرافيت البوتقة (33∙10-6 أوم∙م). من حيث المقاومة المحددة، فإن عينات CNT من Taunit وTMSpetsmash LLC قابلة للمقارنة بالعينات رقم 2 و3، والقابلية المغناطيسية المحددة لهذه العينات أعلى من عينات CNT المعدلة (ALIT-ISM).
لقد ثبت أن المقاومة الكهربائية للأنابيب النانوية الكربونية يمكن أن تختلف من 6∙10-4 إلى
12∙10-4 أوم∙م. تم تطوير مواصفات لاستخدام الأنابيب النانوية الكربونية المعدلة في تصنيع المواد المركبة ومتعددة البلورات والطلاءات والحشوات والمعلقات والمعاجين وغيرها من المواد المماثلة
TU U 24.1-05417377-231:2011 "المساحيق النانوية للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران من درجات MWCNT-A"،
MUN-V (MWCNT-B)، MUN-S (MWCNT-S)"
(الجدول 2).
عندما يتم إدخال مساحيق CNT المعدلة في قاعدة البولي إيثيلين للمركبات كحشو، تزداد الموصلية الكهربائية لمركب البوليمر مع زيادة التوصيل الكهربائي. وبالتالي، نتيجة للتعديل المستهدف للأنابيب النانوية الكربونية، يتم فتح إمكانية تغيير خصائصها، على وجه الخصوص، المقاومة الكهربائية.
الأدب
1. تكاتشيف إيه جي، زولوتوخين آي.في. معدات وطرق لتخليق الهياكل النانوية الصلبة. – م: ماشينسترويني-1، 2007.
2. بوجاتيريفا جي بي، مارينيتش إم إيه، بزالي جي إيه، إلنيتسكايا جي دي، كوزينا جي كيه، فرولوفا إل إيه دراسة تأثير المعالجة الكيميائية على الخواص الفيزيائية والكيميائية لأنابيب الكربون النانوية. قعد. علمي آر. "الفوليرين والبنى النانوية في المادة المكثفة." / إد.
بي ايه فيتياز. – مينسك: المعهد العلمي الحكومي “معهد الحرارة وانتقال الكتلة”
تبادل لهم AV Lykova" NAS of Belarus، 2011، الصفحات من 141 إلى 146.
3. نوفاك دي إس، بيريزينكو إن إم، شوستاك تي إس، باخارينكو في أو، بوجاتيريفا جي بي، أولينيك إن إيه، بازالي جي إيه. مركبات نانوية موصلة للكهرباء تعتمد على البولي إيثيلين. قعد. علمي آر. "أدوات قطع الصخور وتشغيل المعادن - المعدات والتكنولوجيا اللازمة لتصنيعها واستخدامها." - كييف: ISM
هم. V.N.Bakulya NAS من أوكرانيا، 2011، العدد 14، الصفحات من 394 إلى 398.

تُستخدم مواد الكربون المسحوقة (الجرافيت، الفحم، السخام، الأنابيب النانوية الكربونية، الجرافين) على نطاق واسع كمواد حشو وظيفية لمواد مختلفة، ويتم تحديد الخواص الكهربائية للمركبات التي تحتوي على حشوات الكربون من خلال بنية وخصائص الكربون وتكنولوجيا الإنتاج. الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن مادة مسحوقة لهياكل إطارية ذات شكل متآصل من الكربون على شكل أنابيب CNT مجوفة متعددة الجدران بقطر خارجي يتراوح من 10 إلى 100 نانومتر (الشكل 1 أ، ب). من المعروف أن المقاومة الكهربائية (ρ, Ohm∙m) للأنابيب النانوية الكربونية تعتمد على طريقة تركيبها وتنقيتها ويمكن أن تتراوح من 5∙10-8 إلى 0.008 أوم∙m، وهي أقل بالترتيب من مقاومة الجرافيت.
رسم بياني 1. أ) – مسحوق الأنابيب النانوية الكربونية، ب) – جزء من الأنابيب النانوية الكربونية (المجهر الإلكتروني للطاقة)
عند تصنيع المركبات الموصلة، تتم إضافة مواد عالية التوصيل (المساحيق المعدنية والكربون التقني والجرافيت والكربون والألياف المعدنية) إلى المواد العازلة. وهذا يسمح بتغيير خصائص التوصيل والعزل الكهربائي لمركبات البوليمر.
تم إجراء البحث الحالي لتحديد إمكانية تغيير المقاومة الكهربائية المحددة للأنابيب النانوية الكربونية من خلال تعديلها. سيؤدي ذلك إلى توسيع استخدام هذه الأنابيب كمواد حشو لمركبات البوليمر ذات الموصلية الكهربائية المخططة. استخدم البحث عينات من المساحيق الأولية للأنابيب النانوية الكربونية التي صنعتها شركة ALIT-ISM (زيتومير، كييف) ومساحيق الأنابيب النانوية الكربونية التي خضعت لتعديلات كيميائية مختلفة. لمقارنة الخصائص الفيزيائية الكهربية للمواد الكربونية لعينات الأنابيب النانوية الكربونية "تاونيت" (تامبوف، روسيا) التي تم تصنيعها تحت رقم 2166-001-02069289-2007، شركة ذات مسؤولية محدودة "TMSpetsmash" (كييف)، المصنوعة بموجب 24.1-03291669-009:2009، الجرافيت بوتقة، الأنابيب النانوية الكربونية. تم تصنيعها بواسطة ALIT-ISM و"Taunit" باستخدام طريقة CVD- على محفز NiO/MgO وCNTs التي صنعتها شركة LLC "TMSpetsmash" - على محفز FeO/NiO (الشكل 2).
الشكل 2 أ - CNT (ALIT-ISM)، ب - CNT "TMSpetsmash" (صور PEM).
تم إجراء التحقيقات تحت نفس الظروف وباستخدام نفس الطرق المطورة في ISM لتحديد الخصائص الفيزيائية الكهربائية لعينات المواد الكربونية. تم حساب المقاومة الكهربائية النوعية للعينات من خلال تحديد خاصية الجهد الحالي لعنصر المسحوق الجاف المضغوط تحت ضغط 50 كجم. (الجدول 1).
لقد أظهر تعديل الأنابيب النانوية الكربونية (رقم 1-4) إمكانية تغيير الخواص الكهربائية لها بشكل هادف بمساعدة التأثيرات الفيزيائية والكيميائية. على وجه الخصوص، تم تقليل المقاومة الكهربائية المحددة للعينة الأولية بمقدار 1.5 مرة (رقم 1) وللرقم 1. 2 - 4 تم زيادته 1.5 - 3 مرات.
في هذه الحالة، تم تقليل إجمالي كمية الشوائب (محتوياتها على شكل بقايا غير قابلة للاحتراق) من 2.21% (الأنابيب النانوية الكربونية الأولية) إلى 1.8% للرقم 1 وإلى 0.5% للرقم 3. تم تقليل القابلية المغناطيسية للعينات رقم 2 – 4 حسب الطلب. تمت زيادة المساحة السطحية المحددة لجميع العينات بنسبة 40٪ تقريبًا. من بين الأنابيب النانوية الكربونية المعدلة، تم تثبيت الحد الأدنى من المقاومة الكهربائية المحددة (574∙10-6 أوم∙م) للعينة رقم 1 والتي تكون قريبة من مقاومة الجرافيت البوتقة (337∙10-6 أوم∙م). من خلال المقاومة النوعية، يمكن مقارنة عينات الأنابيب النانوية الكربونية "تاونيت" و"TMSpetsmash" بعينات رقم 2 ورقم 3، والقابلية المغناطيسية لهذه العينات أعلى بكثير من عينات الأنابيب النانوية الكربونية المعدلة ("أليت" -ISM").
وبالتالي، تم ذكر إمكانية تعديل الأنابيب النانوية الكربونية لتغيير قيمة المقاومة الكهربائية المحددة للأنابيب النانوية الكربونية في النطاق 6∙10-4÷12∙10-4أوم∙م. لقد تم تطوير المواصفات 24.1-05417377-231:2011 "المساحيق النانوية لأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران من الدرجات MWCNTs-A وMWCNTs-B وMWCNTs-C (الجدول 2) لأنابيب الكربون النانوية المعدلة لإنتاج المواد المركبة ومتعددة البلورات والطلاءات والحشوات والمعلقات والمعاجين وغيرها من المواد المماثلة.
عند إدخال المواد المركبة في قاعدة البولي إيثيلين كمواد حشو للمساحيق المعدلة من الأنابيب النانوية الكربونية ذات الدرجات الجديدة مع زيادة التوصيل الكهربائي للأنابيب النانوية الكربونية، تزداد الموصلية الكهربائية لمركب البوليمر. وبالتالي، نتيجة للتعديل الموجه للأنابيب النانوية الكربونية، هناك فرص جديدة لتغيير خصائصها، ولا سيما قيمة المقاومة الكهربائية.
الأدب