Созданы образцы гибридных мембран ПВТМС/УНТ, которые показали существенное увеличение транспортных характеристик при концентрациях УНТ менее 1% масс.


Ю.С. Еремин, П.А. Лихоманова
Научный руководитель – А.М. Грехов, к.ф-м.н., доцент, И.В. Тронин, к.ф.-м.н., доцент
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Создание гибридных мембран ПВТМС/УНТ
Разработана методика создания гибридных полимерных мембран с внедренными углеродными нанотрубками. Созданы образцы гибридных мембран ПВТМС/УНТ, которые показали существенное увеличение транспортных характеристик при концентрациях УНТ менее 1% масс. Экспериментально определена и теоретически обоснована критическая концентрация УНТ в таких материалах, при которой образуется перколяционная структура.
В последние годы активно ведутся исследования в области создания гибридных мембранных материалов (mixed matrix membranes) методом внедрения в полимеры неорганических наночастиц. Интерес к такой модификации полимеров связан с улучшением свойств мембран: увеличением коэффициентов проницаемости, селективности, прочностных характеристик и др.[1]. Наночастицы с большим аспектным числом, например углеродные нанотрубки, вызывают особый интерес, так как перколяционные эффекты для таких частиц наблюдаются при существенно меньших концентрациях. Например, при внедрении частиц с аспектным числом более 20, критическая концентрация становится меньше 1% об. Это позволяет модифицировать материалы, сохраняя свойства исходной матрицы.
В данной работе, для создания гибридной мембраны ПВТМС с концентрацией внедренных УНТ 0.2, 0.4, 0.6, 1, 2 и 3% масс. для внедрения использованы многостенные углеродные нанотрубки «Таунит». Для диспергирования УНТ в хлороформе на их поверхность была привита СООН группа. Степень диспергирования и устойчивость растворов УНТ/хлороформ контролировались методами динамического рассеивания света и УФ-Видимой спектроскопией. После смешения с полимером, получали композитные пленки толщиной 25±2 мкм методом полива на целлофановую подложку.
Измерение проницаемости тестовых газов (азота, кислорода, метана, пропана) показали, что наблюдается существенное увеличение потока при внедрении критической концентрации УНТ от 0,3 до 0.4 % масс. Было установлено, что по сравнению с исходным ПВТМС коэффициент проницаемости по газам вырос (O2, N2, CH4) в 2-4 раза и в 30 раз для С3H8.

Рис. 1. Коэффициент проницаемости газов (N2, O2, CH4 и С3H8) через ПВТМС/ УНТ
Рис. 2. Пространственное распределение стержней длиной l=20 в системе размера L=300
Такое изменение коэффициента проницаемости газов было объяснено в рамках теории перколяции, как формированием системы связанных областей с высокой проницаемостью - перколяционного кластера. Механизм транспорта и транспортные свойства таких гибридных ПВТМС/УНТ мембран определяют размер сформировавшихся областей в результате внедрения МУНТ. Для оценки критической концентрации и параметров перколяционного кластера было проведено моделирование. Данный метод позволяет достичь точности определения порога перколяции более 0.01% и время расчета линейно зависит от числа объектов в системе. После верификации результатов вычисления для системы проницаемых дисков, программа была модернизирована для вычислений перколяции стержней в системах конечного размера, и полученные значения порога перколяции хорошо согласуются с экспериментальными данными (Рис.2).
В результате проведенных исследований экспериментально и теоретически определены условия образования перколяционного кластера УНТ в матрице полимера ПВТМС, созданы гибридные ПВТМС/УНТ мембраны с улучшенными транспортными свойствами. Разработана методика расчета перколяционных характеристик в объектах конечных размеров.
Список литературы
1. Percolation of Composite Poly(vinyltrimethylsilane) Membranes with Carbon Nanotubes1 A. M. Grekhov и др. Petroleum Chemistry, 2013, Vol. 53, No. 8, pp. 549–553

Приложенные файлы

  • docx 4463671
    Размер файла: 65 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий