Благодаря своим уникальным физическим свойствам, углеродные нанотрубки в перспективе могут иметь множество применений в разнообразных технологиях. Например, волокна и тросы из углеродных нанотрубок, согласно теоретическим расчетам, имеют механическую прочность на два порядка больше, чем такие же стальные конструкции.

И что немаловажно, обладая такой большой прочностью, они имеют плотность на порядок меньше, чем у той же стали. Что касается замечательных электрических свойств углеродных нанотрубок, то их можно использовать (и кое-где это уже пытаются делать) в электромеханических системах нового типа в качестве нанодиодов, транзисторов, микроэлектрических двигателей и соединительных наноэлектропроводов.

Однако промышленное применение нанотрубок пока что ограничено из-за ряда технологических проблем. Прежде всего, еще не научились дешево и в больших количествах выращивать углеродные нанотрубки. Во-вторых, сейчас не умеют получать сколь угодно длинные нанотрубки, которые при этом имели бы однородные (то есть одинаковые вдоль всей длины) физические свойства — например, без структурных дефектов. Наконец, в процессе роста нанотрубок сложно контролировать такую их характеристику, как хиральность (степень «закрученности» нанотрубки в цилиндр). А это очень важно, поскольку в зависимости от хиральности нанотрубка имеет либо металлическую, либо полупроводниковую проводимость, а значит, для создания различных электронных приборов надо знать тип электропроводности выращенных нанотрубок.

Низкое распространение нанотрубок в промышленности связано также с высокими ценами и сложностью масштабного производства. Правда, в одной области применения наблюдается заметное продвижение вперед. Речь идет о защитных покрытиях. Даже небольшие добавки углеродных нанотрубок приводят к значительным улучшениям свойств материалов, применяемых для создания как антикоррозионных, так и огнезащитных покрытий.

Норвежская компания Advanced Marine Coatings, специализирующаяся на разработке покрытий для морских судов, представила новое покрытие, в составе которого впервые использованы углеродные нанотрубки Baytubes® (углеродные нанотрубки марки Baytubes® в промышленном масштабе производит компания BayerMaterialScience, входящая в состав концерна Bayer) [1]. В результате повысилось сопротивление абразивному изнашиванию, уменьшилось гидравлическое сопротивление между корпусом судна и водой, что привело к существенному снижению расхода топлива.

Новое покрытие “Green Ocean Coating Heavy Duty”, основу которого составляет двухкомпонентная эпоксидная смола, имеет высокую водонепроницаемость и в особенности подходит для защиты корпуса судна ниже поверхности воды. Покрытия могут применяться как для новых судов, так и для восстановления старых или текущего ремонта. Еще одно преимущество – благодаря гладкости и твердости нового покрытия можно не применять специальные средства, предохраняющие суда от биологического обрастания.

Таким образом, нанотрубки позволили разработчикам найти наиболее экономичное и наиболее экологичное решение. На рис.1 показан танкер Berge Arzew, для которого было впервые использовано новое покрытие (на 700 квадратных метров поверхности). В ноябре 2009 г. появилось сообщение об успешных испытаниях [1].

Рис.1 Испытания покрытия “Green Ocean Coating Heavy Duty” успешно проведены на танкере Berge Arzew

Еще одно интересное практическое применение нанотрубок – огнезащитные покрытия. УНТ могут быть использованы вместо обычных галогенсодержащих антипиренов (причем в существенно меньших количествах) для повышения термостойкости полимеров и тепловых барьерных слоев на их основе. На рис.2 показано, как добавление менее 1 масс.% УНТ снижает риск распространения пламени.

Рис.2. Сверху – быстрое горение исходного полиэтилена с образованием капель, снизу – материал с добавками 1 масс.% УНТ горит гораздо медленнее, капли не образуются [2]

THERMOCYLTM (марка материалов на основе кремнийорганических смол с добавками многостенных УНТ (£ 1 масс.%), компания Nanocyl) по данным разработчиков является отличным материалом для защиты от пламени и обладает высокой адгезией к стеклу, металлам, дереву и др. [2]. На рис.3 показано, что 4 мм покрытия THERMOCYLTM достаточно для создания эффективного барьерного слоя на алюминии.

Рис.3. Термический барьер из полимера с добавками 1 масс.% УНТ (THERMOCYLTM) [2].

Конечно, успешные внедрения некоторых материалов не означают прекращения научных исследований. Так, например, китайские ученые недавно продемонстрировали, что декорирование многостенных УНТ фуллеренами способствует дальнейшему снижению воспламеняемости композита полипропилен/нанотрубки [3]. Авторы разработали новую трехстадийную методику получения C₆₀-d-CNTs (C₆₀ decorated CNTs). Схема синтеза и SEM изображения приведены на рис.4.

Рис.4. Схема синтеза и изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM):(A) – исходные нанотрубки, (B) CNT-OH, © CNT-NH₂, (D) C₆₀-d-CNTs

Данные электронной микроскопии, ИК и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и др. убедительно демонстрируют, что фуллерены находятся на поверхности нанотрубок. Результаты калориметрических измерений показали снижение воспламеняемости полипропилена, в который были введены добавки декорированных нанотрубок (1 масс.%). На рис.5 представлены кривые скорости тепловыделения для полипропилена (PP) и его композитов с УНТ и декорированными УНТ. Кроме того, были проведены контрольные измерения для композита полипропилена с механической смесью УНТ и фуллеренов.

Рис.5. Скорость тепловыделения для полипропилена и его композитов с 1 масс.% УНТ или декорированных УНТ

Видно, что внедрение 1 масс.% нанотрубок заметно (на 66%) снижает максимум скорости тепловыделения (PHRR – peak heat release rate). Добавки C₆₀-d-CNTs в том же количестве не только дополнительно уменьшают PHRR, но и замедляют процесс горения, то есть обеспечивают лучшую огнезащиту для полипропилена, чем исходные нанотрубки.

В контрольных экспериментах, когда в полипропилен вводили механическую смесь УНТ и фуллеренов, максимум скорости тепловыделения был выше. Таким образом, эффективность не обусловлена простой комбинацией нанотрубок и фуллеренов. В настоящее время авторы продолжают исследования и в ближайшее время надеются опубликовать свои выводы относительно механизма огнезащиты.

О.Алексеева

1. http://www.baynews.bayer.de/…767400500F5B
2. A.J.Lecloux, F.Luizi, 3rd Annual Nanotechnology Safety for Success Dialogue, Brussels, 3–4 November 2009; http://ec.europa.eu/…_co11_en.pdf
3. P.Song et al., Nanoscale 1, 118 (2009).