Модифицирование полимерных материалов (например, полиэтилена) углеродными нанотрубками позволяет увеличить прочность полимера, стойкость к деградации под воздействием солнца и низких температур. Однако для получения подобных композитов нанотрубки нужно распределить в полиэтилене равномерно, чего сложно добиться из-за их малого размера и высокой склонности к агрегации.

Исследователи из лаборатории каталитической полимеризации и лаборатории наноструктурированных углеродных материалов Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН предложили разместить углеродные нанотрубки в составе полиэтилена непосредственно во время его синтеза с помощью титансодержащего катализатора полимеризации.

«На поверхности многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) был закреплен катализатор полимеризации, содержащий хлориды титана. Выбор такой системы определялся тем, что это самый простой и экономически выгодный способ ввести МУНТ в состав полиэтилена. Далее нанотрубки помещали в реактор, где происходила полимеризация этилена и формирование композитного материала», — рассказала научный сотрудник лаборатории наноструктурированных углеродных материалов ИК СО РАН кандидат химических наук Мария Александровна Казакова.

При образовании твердого полиэтилена из расплава образуются кристаллические блоки, связанные друг с другом аморфными молекулами. Чем больше таких кристаллитов, тем выше плотность полимера, и, соответственно, жесткость, прочность материала на разрыв и стойкость к воздействию химических веществ.

Моделирование роста полиэтилена на поверхности нанотрубок в течение 1500 пикосекунд.

Исследование влияния МУНТ на процесс кристаллизации проводилось во время циклов нагрев/охлаждение с помощью рентгенофазового анализа на синхротронном излучении.

Рентгенофазовый анализ позволяет установить кристаллические фазы, входящие в состав вещества, используя дифракцию рентгеновских лучей. Их получают с помощью рентгеновских трубок, или источников синхротронного излучения (СИ). Спектр СИ покрывает очень широкий диапазон энергий с крайне высокой интенсивностью. Это дает возможность использовать СИ для детального изучения структур объектов различной природы, в том числе на наноразмерном уровне.

«Нам удалось зафиксировать, что нанотрубки выступают в качестве центров кристаллизации молекул полиэтилена. Рост кристаллов инициируется и сначала протекает на поверхности нанотрубки, а затем кристаллиты начинают формироваться и в других частях полимера. Выяснилось, что объем полиэтилена, зарождающийся на нанотрубках, зависит от их содержания в композите и может быть значительным только для материалов с высоким содержанием МУНТ. Также нанотрубки выступают как затравка для ориентации цепи полиэтилена», — пояснила научный сотрудник лаборатории наноструктурированных углеродных материалов ИК СО РАН кандидат химических наук Мария Александровна Казакова.

Результаты, полученные сибирскими химиками, впоследствии могут использоваться для создания целевых продуктов с новыми потребительскими свойствами. Исследователи надеются в ближайшее время перейти к стадии опытно-конструкторских работ.