Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Нанокирпичики технического прогресса Высокие технологии на Петербургской технической ярмарке В этом году впервые в рамках Петербургской технической ярмарки проходила выставка-конгресс «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции (Промышленные инновации)». Это одно из первых мероприятий России в области продвижения высоких технологий и инноваций в научно-технической сфере. С 2008 г. выставка-конгресс будет проводиться дважды в год — в марте и сентябре. Такое решение организаторов обусловлено необходимостью не только представить возможности отечественной науки, но и способствовать скорейшему внедрению в массовое производство передовых научно-технических разработок. Сегодня огромное значение на государственном уровне придается нанотехнологиям*. Поэтому закономерно, что наработки в этой области составили значительную часть тематического наполнения выставки. Одно из центральных направлений развития нанотехнологий — изучение и разработка наноуглерода. История наноуглерода началась в 1985 г., когда обнаружили одну из его форм — фуллерен. До этого открытия считалось, что существуют только два аллотропных вида углерода — графит и алмаз, хотя теоретически существование фуллеренов было предсказано еще в 1975 г. Свое название они получили по имени архитектора Бакминстера Фуллера, который задолго до этого открытия использовал подобную структуру при построении куполов. Впоследствии были получены еще несколько родственных форм углерода — углеродные нанотрубки, луковицы и др. И фуллерены, и нанотрубки представляют собой полые углеродные кластеры. Наиболее популярные и изученные фуллерены из 60 и 70 атомов углерода (С60 и С70) по форме похожи на покрышку обычного футбольного мяча. Только диаметр этих «мячей» составляет около 0,7 нм. Углеродные нанотрубки имеют форму цилиндров, длина которых может в тысячи раз превышать диаметр, который также составляет около 0,7 нм. Уже сегодня можно сказать, что области возможного применения наноуглерода простираются от биологии и медицины до электроники нового поколения и машиностроения. В настоящее время известно несколько тысяч патентов на применение фуллеренов в различных областях человеческой деятельности — от сверхпроводимости до лекарств. Промышленное производство нанокластерного углерода ООО «Научно-производственная компания “НеоТекПродакт”» (г. Санкт-Петербург) было организовано с целью промышленного выпуска нанокластерного углерода, а также развития углеродных нанотехнологий. НПК производит и экспортирует продукты углеродных нанотехнологий, в частности, фуллерен C60 чистоты не менее 99,5 вес. % и до 99,9+ вес. %, фуллерен C70 чистоты 95, 97 и 99 вес. %, экстракт фуллеренов и смесь высших фуллеренов, а также фуллереновую чернь. По определению специалистов, нанокластерные углеродные материалы (НУМ) — это материалы, включающие в себя или состоящие из углеродных частиц (кластеров) наноскопических размеров (единиц, десятков нанометров) хотя бы в одном измерении. В этом измерении они более или менее монодисперсны. В различных физических и химических процессах кластеры ведут себя как отдельные независимые частицы со своими специфическими свойствами. К НУМ относятся фуллерены, фуллереновая сажа (ФС) и чернь (ФЧ), углеродные нанотрубки (УНТ) и нановолокна и т. п. ФС — это продукт, состоящий из различных фуллеренов, большого количества различных по форме кластеров фуллероидного типа. По свойствам он существенно отличается от печных саж и технических углеродов. Сажа, получаемая из ФС после экстракции из нее основной массы фуллеренов С60 и С70, называется фуллереновой чернью. Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На их основе возникла стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами. Фуллерены могут быть использованы как «нанокирпичики» для конструирования материалов с заданными параметрами. Перспективы применения НУМ обуславливаются спецификой их структуры и свойств. Фуллерены, ФС и ФЧ — наиболее химически активные НУМ. Они могут работать как инициаторы или катализаторы химических процессов, как ловушки свободных радикалов, тормозящие процессы деструкции в полимерных системах и живых организмах. Добавка небольшого количества углеродных наноматериалов революционно изменяет свойства любого материала-носителя. Например, фуллереновое покрытие стали приводит к ее рекордному упрочнению, повышению износо- и термостойкости, что крайне важно, например, при производстве лопаток турбин авиационных двигателей и вертолетных лопастей. Добавка фуллеренов в чугун придает ему пластичность. Фуллереновое покрытие на керамических изделиях в несколько раз снижает коэффициент трения даже в условиях сухого трения. Введение фуллеренов или сажи в полимерные композиты и армированные пластики приводит к увеличению прочностных характеристик, изменяет термоустойчивость и радиационную стойкость, значительно уменьшает коэффициент трения. Микродобавка сажи в бетонные смеси и пломбирующие составы повышает марку материала. Особое направление составляет использование фуллеренов в медицине. УНТ перспективны для получения волокон, тканей и конструкционных композитов на их основе. Кроме того, по мнению специалистов, они найдут в ближайшее время применение в наноэлектронике. В целом сфера использования и ассортимент материалов с улучшенными за счет введения НУМ функциональными свойствами будут непрерывно расширяться. На сегодняшний день основным методом производства фуллереновой сажи является дуговой метод. На основе исследований и опытно-конструкторских работ Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (г. Санкт-Петербург) было создано производство фуллереновой сажи. Затем установки первого поколения, защищенные патентами, передали в ЗАО «Инновации ленинградских институтов и предприятий» (ЗАО «ИЛИП») и НПК «НеоТекПродакт». В процессе дальнейшей совместной работы специалистов института и НПК конструктивные и технико-экономические показатели оборудования были значительно улучшены. Установки по производству фуллереновой сажи нового поколения компании «НеоТекПродакт» способны работать круглосуточно (несколько суток), в отличие от других дуговых установок, цикл работы которых составляет только несколько часов. Контролировать и управлять работой оборудования можно дистанционно. Выход фуллеренов в установках нового поколения увеличен до 12–14%, а количество отходов спекшегося углеродного материала уменьшено с 25–30 до 15%. На базе этого оборудования можно создавать крупные автоматизированные производства фуллеренов. В зависимости от потребности меняется только количество установок. Перспективные композиты В ООО «Физтехприбор» (г. Санкт-Петербург) получены композитные материалы с полимерной матрицей и фуллеренсодержащими модификаторами. Высокопрочные, термо- и химически стойкие, легкие, термопластичные композиционные материалы находят применение в самых разных областях. Основой создания полимерных композиций с заданными свойствами является соединение в монолит волокнистой основы (нитей, жгутов, тканей) и термопластичного полимерного связующего. Специалистами компании создана универсальная технология изготовления непрерывного полотна композиционного материала на основе термопластичных связующих и армирующих волокон в виде нитей, жгутов, тканей. Термопластичными связующими служат любые полимеры, имеющие вязкость расплава до 104 Па•с, температура плавления может варьироваться от 80 до 350 °С. Разработанная технология позволяет вводить в расплав и равномерно распределять в объеме препрега наномодификаторы, в т. ч. фуллеренсодержащие. Установлено, что добавка фуллеренов С60–С70 в полимерную матрицу существенно влияет на свойства композита. За счет снижения вязкости расплава и увеличения температуры термодеструкции можно получать препреги более высокого качества пропитки (пористость — 0,2%) в широком диапазоне регулируемой степени наполнения (20–70% армирующих волокон). Это особенно важно для высоковязких теплостойких связующих, таких как полисульфон, полиэфирэфиркетон, полифениленсульфид. Переработка полученного полотна композита (препрега) в изделие может осуществляться намоткой, прессованием, термосваркой, литьем под давлением (после предварительного измельчения ленты). Температура переработки выбирается исходя из свойств связующего. В ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН создана технология изготовления новых композитных материалов с металлической матрицей, включающих углеродные наноструктуры, — ММК. К настоящему времени разработаны технические требования к промышленной установке, позволяющей осуществлять изготовление композитов с производительностью 5–100 кг/ч при максимальной массе отливки до 50 кг. ММК — это композитный материал на основе металлической матрицы, наполненный (армированный) другим материалом (или материалами) в наноразмерном состоянии. Такая структура резко улучшает свойства этих материалов или приводит к появлению новых, уникальных, в т. ч. по жаро- и износостойкости, усталостной прочности и др. Важным преимуществом ММК считается возможность регулировать их свойства в различных сочетаниях. Перспективным ультрадисперсным материалом для армирования являются фуллерены. ЗАО «Инновации ленинградских институтов и предприятий» (ЗАО «ИЛИП») разработало оригинальную технологию производства капролонов (полиамидов), модифицированных фуллеренами и фуллероидными материалами. Было исследовано четыре вида материалов: смесь фуллеренов С60 и С70, отдельно фуллерен С60 (чистотой 99,9 мас. %), фуллереновая сажа и отмытая сажа (чернь). Исследования показали, что даже незначительная добавка таких композиций приводит к увеличению прочности и эластичности материала, повышению температуры плавления и деструкции, уменьшению теплопроводности и влагопоглощения. Существенно улучшаются антистатические свойства материалов. Например, уменьшается сопротивление (в некоторых случаях — на 5–8 порядков), что способствует более быстрому стеканию статического заряда. При этом значительно нарастает диэлектрическая проницаемость (до 20 отн. ед.) и пробойное напряжение. Сочетание последних свойств обеспечивает качественно более высокий уровень безопасности работы с изделиями из капролона, модифицированного фуллеренами, по сравнению с изделиями из обычного немодифицированного капролона в условиях сильной загазованности легко воспламеняющимися или взрывоопасными газами. Например, при выбросах метана в угольных пластах. Один из примеров использования подобных материалов — ролики для транспортеров горно-шахтного оборудования из капролона (полиамида-6), модифицированного фуллеренами. Благодаря уникальным свойствам материала такие изделия можно применять во взрывоопасных условиях вместо металлов. Это дает экономию на эксплуатационных расходах, в т. ч. за счет снижения истираемости транспортерной ленты. Стоимость фуллереновых добавок к капролонам незначительна. Стандартная технология изготовления компактного капролона при этом остается практически неизменной. Разработаны три модификатора на основе фуллеренов с технологией их применения для полиамида-6 блочного. Это позволяет производить три новые модификации последнего: черный, серый и антистатический. Покрытия и модификаторы ЗАО «ИЛИП» разрабатывает технологии получения покрытий на основе фуллеренов для защиты памятников архитектуры и металлов от коррозии. Покрытия состоят исключительно из атомов углерода. Они практически полностью инертны к атмосферным воздействиям, обладают очень высокой адгезией ко всем материалам памятников и практически полностью защищают их поверхность от коррозии, обусловленной, в частности, воздействием кислотных дождей и агрессивных газов (SO2, NO2, H2S и др.). Кроме того, в существенной степени они препятствуют механическому истиранию и задиранию материала памятников за счет очень низкого коэффициента трения. Долговечность покрытий составляет десятки и сотни лет, при этом они сравнительно дешевы (расход фуллеренов составляет не более 0,15 г на 1 м2 поверхности). Покрытия получаются очень тонкими (до 0,1 мкм) и абсолютно прозрачными. Они хорошо, ровным слоем распределяются по поверхности. Покрытия легко моются и при необходимости достаточно просто регенерируются или наращиваются. Поверх них можно наносить другие защитные покрытия (например, силиконовые), а также краски и лаки. Одним из направлений деятельности питерского Научно-технического центра прикладных нанотехнологий (ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий») являются исследования, разработка и производство нанодисперсных фуллероидных материалов. В числе последних — низшие фуллерены С60 и С70, их смеси, многослойные углеродные нанотрубки и другие виды технического наноуглерода фуллероидного типа. Центром производятся уникальные полиэдральные многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа — астралены (за этим названием закреплен соответствующий товарный знак). Астралены выступают в качестве наномодификаторов для большинства разработок компании, в т. ч. как добавки модификатора для полимерных и неорганических композиционных материалов, компонентов специализированных сорбентов. Кроме того, они входят в состав антифрикционных добавок к конструкционным материалам и смазкам, элементов холодных катодов и нелинейно-оптических систем, компонентов фотохимических генераторов синглетного кислорода. Специалистами НТЦ разработаны продукты и оригинальная методика улучшения потребительских свойств пластификаторов цементных бетонов за счет их микромодификации фуллероидными нанодобавками. Использование производимых фирмой фуллероидных наномодификаторов в каталитических дозах при прочих равных условиях усиливает пластифицирующий эффект на величину от 30 до 100%. Параллельно это дает увеличение прочности бетона на 20–25%. Приведенная величина является нижней оценкой эффекта: при уменьшении водоцементного соотношения (в/ц) можно получать дополнительное увеличение прочности. Повышение прочности бетона за счет снижения в/ц на 15–20% можно использовать для сокращения расхода цемента на 20–25%, уменьшения толщины конструктивных элементов. За счет применения наномодификаторов возможно снижение расхода дорогостоящих пластификаторов на 50–60% без ущерба для показателей удобоукладываемости цементной смеси. Присадки и катализаторы Институт проблем машиноведения РАН (г. Санкт-Петербург) предлагает новый класс антифрикционных, противоизносных и антизадирных присадок к маслам, консистентным и твердым смазкам на основе фуллеренсодержащих материалов. Присутствие фуллерена С60 в минеральных смазках инициирует образование защитной фуллеренополимерной пленки толщиной 100 нм на поверхностях контртел. Как результат, обеспечивается защита смазки от термической и окислительной деструкции. Термостабильность смазок повышается до 400–500 °С. Время жизни узлов трения в аварийных ситуациях возрастает в 3–8 раз. Одновременно увеличивается несущая способность узлов трения (в 2–3 раза) и рабочий интервал давления (в 1,5–2 раза). Большинство химических процессов происходит в присутствии катализаторов, среди которых наибольшее распространение получили гетерогенные составы. Их каталитическая активность зависит от структуры и дисперсности носителя. Специалистами ООО «Физтехприбор» разработаны и запатентованы катализаторы, состоящие из наноразмерного палладия, нанесенного на наноуглеродные (фуллерены, нанотрубки, нанопроволоки и др.) и силикатные материалы. Полученные катализаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогами, используемыми в настоящее время. В частности, они обладают существенно большей каталитической активностью в реакционных системах. Например, было установлено, что новые катализаторы в 10 и более раз превосходят по своей активности аналоги, применяемые сегодня в процессах гидрирования (взаимодействия с водородом) алкенов и других соединений, содержащих двойные связи. (Важно отметить, что гидрирование происходит при комнатной температуре и атмосферном давлении.) К преимуществам новых катализаторов следует отнести существенное упрощение технологии как процесса их приготовления, так и применения в реакционных системах. Кроме того, новые катализаторы можно использовать многократно. Областями промышленного применения палладий-наноуглеродных катализаторов являются медицина, фармацевтика, пищевая промышленность, спецхимия, нефтехимия и др. Литиево-ионные аккумуляторы в аспекте нанотехнологий ООО «Плазмас» (г. Санкт-Петербург) является одной из первых частных организаций, активно работающих в области высоких наукоемких плазменных технологий. Основные направления его деятельности включают разработку наноматериалов и нанотехнологий, технологий плазменной обработки семян растений и наноматериалов. Помимо этого, фирма занимается созданием технологий плазмохимической модификации поверхностей, плазменной обработки тугоплавких материалов, технологий получения микрошариков стекла, кварца, Аl2O3, MgO, ZrO2 и др. Фирмой разработаны новые наноматериалы на основе углерода, применяемые в качестве активной массы анода и катода в литиево-ионных аккумуляторах (ЛИА). Активная масса для анода содержит наноматериал МУНТ, полученный по специальной технологии в различных пропорциях с обычным графитом. МУНТ представляет собой специальные многостенные углеродные нанотрубки с содержанием углерода более 99% масс. Содержание МУНТ — более 60–70% масс., металлических примесей — менее 0,1% масс. Применение специальных нанотехнологий и наноматериалов МУНТ для производства активной массы анодов в ЛИА дает повышение удельной электрической разрядной емкости до 1000–1200 мА•ч/г. ЛИА с анодом массой 0,004 г имеют электрическую емкость 900–1000 мА•ч/г. За счет применение нового наноматериала можно получать ЛИА значительно меньших габаритов при тех же электрических параметрах или существенно повышать электрические параметры аккумуляторов при прежних габаритах. В ближайшей перспективе можно будет изготавливать супертонкие легкие гибкие литиево-ионные аккумуляторы любой формы и размеров. Ориентировочная стоимость нового наноматериала МУНТ при массовом производстве находится на уровне стоимости обычных порошков графита, используемых для изготовления литиево-ионных батарей. Плазменная обработка: многообразие применения ООО «Плазмас» разработало также уникальную технологию и специальное плазмохимическое оборудование для обработки практически любых органических и неорганических материалов и изделий. Это могут быть ткань, шерсть, кожа, войлок, бумага, дерево, стекло, пластмассы, металлы и их оксиды, графит и др. В результате плазмохимической обработки происходит изменение поверхностных свойств материалов. Такую технологию применяют для придания материалам или изделиям из них водоотталкивающих либо водопоглощающих свойств. Плазмохимическая обработка может использоваться для эффективной защиты ценных рукописей, книг, документов, исторических раритетов, коллекционных экспонатов от разрушительного действия воды, плесени, атмосферы, УФ-излучения и пр. С помощью плазмохимической модификации можно повышать адгезионные свойства материалов при окрашивании, изменять свойства силикатных композиций, наносить защитные пленки и инертные покрытия на детали и изделия из органических и неорганических материалов, производить обработку наноматериалов, нанотрубок, фуллеренов и др. Технология плазменной обработки семян (ПОС) растений и специальное уникальное оборудование, разработанные ООО «Плазмас», предназначены для предпосевной обработки семян овощных, зерновых, кормовых культур, цветов, деревьев и кустарников. ПОС уникальна тем, что плазма при обработке семян проявляет свойства биологически активной субстанции и позволяет комплексно или избирательно регулировать и изменять свойства и качество семян, плодов и хозяйственно ценных органов растений. При этом она не оказывает никакого мутагенного действия на растения и семена. ПОС экологически и биологически безопасна, в ней не применяется никакое химическое или вредное энергетическое воздействие на семена. Плазменная обработка семян осуществляется в условиях высокочастотного плазменного разряда при пониженном давлении в среде газа (например, воздуха) в специальном уникальном оборудовании. Процесс происходит по следующей схеме. Вначале семена помещаются в загрузочный бункер, а в рабочей камере создается плазменный разряд с нужными параметрами. Далее семена подаются в зону плазменного разряда и после необходимой обработки попадают в выгружной бункер. Для каждого типа семян создаются свои оптимальные условия плазменной обработки с целью получения наилучших свойств семян и растений, таких, например, как всхожесть, энергия прорастания, полевая всхожесть, устойчивость растений к грибковым и бактериальным заболеваниям. Кроме того, обеспечивается сохранность семян и зерна в условиях длительного хранения, ускорение темпов роста и развития растений на различных фенофазах, повышение урожайности растений, содержания в плодах витаминов, белков, аминокислот, микро- и макроэлементов и др. ПОС обладает комплексным сбалансированным воздействием на наружные и внутренние части семян: защитную оболочку, семядоли, эндосперм, ростковый зародыш и клетки. Благодаря сбалансированному воздействию оболочка семян становится хорошо проницаемой для воды, газа и питательных растворов, улучшается межклеточный энерго- и массообмен. При этом в семена ничего не вносится извне, не нарушается их генная структура, а только стимулируется то, что заложено природой. За счет плазменной обработки, как уже отмечалось, повышается устойчивость растений к грибковым и бактериальным заболеваниям. Кроме того, на 10–50% и более увеличивается всхожесть семян (овощных и кормовых культур, лекарственных и эфиромасличных растений), а также энергия их прорастания (на 10–40%). Урожайность растений возрастает на 20–50% и более. Например, в условиях хорошей агротехники в США урожай томатов увеличивался на 400–600%. Заболеваемость растений уменьшается на 30–50% и более. Зеленая масса кормовых растений увеличивается на 20–50%. В листьях и плодах овощных и кормовых культур повышается содержание аскорбиновой кислоты (на 30–60%), белков (на 10–15%), сахаров (30–70%), органических кислот (20–70%), азота, фосфора и калия (15–40%). Плазменная обработка семян имеет преимущество и в смысле комплексного многофакторного сбалансированного воздействия на семена по сравнению с такими известными способами, как стратификация, ферментирование, воздействие электрическим или магнитным полем, ультрафиолетовое и лазерное облучение. Ольга Горгома, фото автора * Приставка «нано» (от греческого слова nanos — карлик) обозначает одну миллиардную долю исходной единицы измерения, т. е. нанометр (нм) составляет одну миллиардную долю метра.