1.3.1 Вуглецеві нанотрубки, структура й властивості

Вуглецеві нанотрубки характеризуються комплексом унікальних електричних, теплофізичних й механічних властивостей. Перераховані властивості залежать від способу виготовлення ВНТ. Найбільш цікава характеристика вуглецевих нанотрубок у тому, що вони можуть бути напівпровідниками чи металічними провідниками у залежності від їх структури та діаметра.

Суттєвою характеристикою матеріалів є магнітоопір, це залежність електроопору речовин при накладанні постійного магнітного поля. Вуглецеві нанотрубки при низьких температурах показують від’ємний магніторезестивний ефект.

Вуглецеві нанотрубки мають рекордні значення пружності й міцності. Міцність при розтяганні одношарових вуглецевих нанотрубок дорівнює 45 ГПа, а стальні сплави руйнуються при навантаженні в 2 ГПа. Тож, ВНТ близько у 20 разів міцніші за сталь. Багатошарові нанотрубки теж мають кращі, ніж в сталі, механічні властивості, але вони не високі в порівнянні з одношаровими.

Вуглецеві нанотрубки мають дуже високу твердість та корозійну стійкість, вони не розчинні ні у «царській горілці», ні у концентрованих лужних розчинах. Велика питома поверхня нанотрубок (500÷1500) м²/г постачає їм значну адсорбційну здатність. Вони ефективно поглинають діоксин сірки, дисульфіди, сірководень, діоксини, фтор, хлор, меркаптани, аміак тощо.

1.3.2 Нанокомпозити і нанонаповнені волокна

У останні роки одним з перспективних напрямків техніки й науки є розроблення принципів отримання нанонаповнених волокон й нанокомпозитів. Якісно нові матеріали із підсиленими регульованими властивостями одержують за допомогою комбінації полімерних матриць із нанонаповнювачами різних розмірів, хімічної природи, конфігурації.

Композиційні матеріали об’єднують характеристики компонентів, що входять до їхнього складу, чи перевершують їх. Полімерні нанокомпозити – це особливий клас композиційних матеріалів у їхній матриці розподілені різні наповнювачі, які створюють ділянки розміром менше 100 нм. Здобуття композитами нових властивостей пояснюється кількісними змінами співвідношення об’ємних та поверхневих атомів певних наночастинок, тобто високою питомою поверхнею. Дослідження нанонаповнених матеріалів підтверджують, що у зрівнянні із звичайними матеріали такі фундаментальні властивості, як коефіцієнт дифузії, модуль пружності, питома теплоємність, магнітні властивості стрімко збільшуються.

Це зумовлено не тільки зменшенням розмірів структурних елементів, але також проявою квантово-механічних ефектів, хвильовою природою процесів переносу та домінуючою роллю поверхні поділу фаз. Перевагою нанонаповнених полімерних композитів, у зрівнянні із традиційними наповненими є формування більш досконалої однорідної структури. Так, стрімке підвищення міцності полімерних матеріалів, без збільшення ваги, отримується введенням у їхній склад вуглецевих нанотрубок. Тому, якщо ВНТ розташувати між макромолекулами полімеру й з’єднати їх хімічними зв’язками між собою, то міцність матеріалу приблизиться до міцності ВНТ.

Для отримання синтетичних волокон із прогнозованими наперед заданими характеристиками широко застосовується модифікація промислових багатотоннажних волокноутворюючих полімерів за допомогою наповнення частинками різного розміру, хімічної природи, конфігурації. Введення добавок дає можливість регулювати характеристики й розміри міжфазного перехідного шару. Застосування нанонаповнювачів із високою питомою поверхнею й достатньою сумісністю між полімером та добавкою є найбільш привабливим. Вже близько 20 років випускають нанонаповнені волокна.

Як наповнювачі застосовуються одні і ті ж речовини, що й при утворенні нанокомпозитів, особливо: природні мінерали, різні форми вуглецю, метали (Ti, Si, Mn, Zn), їхні оксиди тощо. У відповідності від типу наночастинок наповнювача одержують нанонаповнені волокна із покращеними властивостями: електропровідність, антимікробні показники, висока механічна міцність, фотоактивність, чутливість до змінення температури тощо. Багато- й одношарові вуглецеві нанотрубки є досить привабливим армуючим наповнювачем, в наслідок їх унікальних механічних характеристик: вони у 6 разів легші за сталь й у 100 разів міцніші.

Додавання 5 об.% ВНТ до поліпропіленових волокон збільшує їх модуль Юнга й міцність майже у 3 рази. Насичення волокон вуглецевими наночастинками (від 5 до 20 мас.%) наділяє їх електропровідністю зрівнюваною із міддю й хімічною стійкістю до дії безлічі реагентів. Полівінілспиртове волокно, яке отримують за коагуляційною технологією прядіння та наповнюють нанотрубками, є в 120 разів витривалішим, ніж сталевий дріт, й у 17 разів легшим за волокно кевлар. В Сполучених Штатах Америки виробляють волокна Zіlon, які містять до 10 % вуглецевих нанотрубок, із фізико-механічними показниками, що значно вищі, ніж у вихідного. Корисних характеристик синтетичні волокна здобувають при насиченні їх наночастинками гідроалюмосилікату (глинозему), що мають вигляд крихітних пластівців. Вони гарантують високу тепло- й електропровідність, хімічну активність, механічну міцність, захист від вогню та УФ-опромінення. В поліамідних волокнах, які містять 5 мас.% наночастинок гідроалюмосилікату, розривне навантаження й міцність на вигин збільшуються відповідно на 40 та 60 %. Відомо, що поліпропіленові волокна досить погано фарбуються, це значно обмежує сфери їх застосування у виготовленні матеріалів побутового призначення. Додавання 15 мас.% наночастинок гідроалюмосилікату дає можливість фарбувати їх барвниками різноманітних класів із отриманням глибоких тонів. Також інтенсивно розвивається виробництво й дослідження синтетичних волокон, насичених наночастинками оксидів металів: Al₂O₃, ТіO₂, ZnО, MgO. У результаті вони набувають таких властивостей: електропровідність, фотокаталітична активність, здатність захищатися від УФ - опромінення, брудовідштовхувальні й антимікробні характеристики, фотоокисна здатність в різних біологічних й хімічних умовах. Встановлено, що застосування наночастинок металів забезпечує волокна біологічною активністю. Так, волокна із добавками нікелю, міді й срібла проявляють біокаталітичні, сорбційні й бактерицидні характеристики і ефективно сорбують бактерії, віруси грипу, білки.

Новим типом сорбентів є тонковолокнисті матеріали на їх основі, які застосовуються для очистки газових й рідких середовищ. Каталітично активними є волокна із додаванням платинових металів, а залізо-, кобальто- й нікельвмісні мають магнітні властивості.

На даний час нанонаповнені волокна широко застосовуються для одержання різноманітних споживчих ефектів в текстильних виробах. Наприклад, матеріалу для спеціального одягу надають брудо- й водовідштовхувальні характеристики, лікувальні, антимікробні, косметичні й хемозахисні властивості, знижену горючість тощо. Додавання у тканину нанорозмірного діоксиду кремнію сприяє самоочищенню й попереджає їх забруднення.

Особливе місце мають сенсорний трикотаж, тканини, волокна. Цей текстиль називається електронним, тому що він дає можливість у безперервному режимі відслідковувати головні параметри організму людини (пульс, температуру, тиск).

1.4 Особливості планування експерименту для чотирикомпонентних сумішей.

Багато досліджень у хімічній технології зводяться до вирішення завдань, спрямованих на пошук оптимальних умов перебігу процесів або на оптимальний вибір складу багатокомпонентних систем.

З цією метою останнім часом широко застосовуються методи математичного планування, що дозволяють збільшити надійність і достовірність результатів роботи.

На практиці для оптимізації вмісту багатокомпонентних систем удаються до побудови діаграм склад – властивість.

При вивченні будь якого явища значну роль відіграють саме теоретичні дослідження. Для того, щоб розв'язувати теоретичні задачі використовуючи математичні методи необхідно провести математичне формулювання задачі. Після того, як задача сформульована потрібно обрати метод за допомогою якого буде проводитись дослідження математичної моделі. Отримавши певний результат, його необхідно проаналізувати.

Для того, щоб математично сформулювати задачу можна використовувати числа, геометричні образи, функції, а також системи рівнянь. Математичні моделі відображають взаємозв’язки кількісних характеристик явищ, що розглядаються. Вони являють собою системи математичних співвідношень, таких як формули, функції, або рівняння, якими описуються досліджувані об’єкти або явища.

У процесі математичного моделювання можна виділити окремі етапи. На першому з них відбувається постановка задачі. Тобто визначається об'єкт і мета дослідження, задаються ознаки дослідження об'єктів. На наступному етапі вибирається один з типів математичних моделей. На третьому етапі необхідно описати, яким чином вхідні характеристики перетворюються на вихідні параметри об'єкта. І останнім етапом є необхідність у дослідженні якостей обраної моделі.

Методи математичного планування експерименту досить успішно використовуються з метою зростання ефективності експериментальних досліджень. За допомогою планування експериментів обираються технологічні режими виробничих процесів, що являються оптимальними та конструктивні параметри виробів. Крім того методи математичного планування доцільно застосовувати визначаючи склад багатокомпонентної суміші.

При плануванні експерименту для чотирикомпонентних сумішей важливою є можливість аналітичного опису залежностей властивостей від складу сумішей. Оскільки геометричні способи представлення даних для багатокомпонентних систем можуть являти собою досить складні фігури.

Побудова діаграм склад – властивість є важливою частиною досліджень властивостей сумішей. Для чотирикомпонентних сумішей характерною є умова , оскільки концентрації компонентів суміші зазвичай нормується. У вказаній умові- відносні концентрації відповідних компонентів суміші.

Зазначена умова у чотиривимірному просторі змінних визначає для них область допустимих змін, що має назву симплекс. Якщо розглядати чотирикомпонентну суміш, то її симплекс буде мати вигляд тетраедра. Його грані відповідатимуть симплексам трикомпонентних сумішей відповідних трійок компонентів. Точки у середині симплексу відповідатимуть складу суміші, що містить усі чотири компонента.

У симплексно-граткових планах для побудови моделей степені n експериментальні точки розташовуються у симплексі симетрично, використовуючи для кожного компоненту q+1 рівновіддалених рівнів, що перебувають у межах від 0 до 1: ;;;…;. Усі можливі комбінації цих рівнів і являються планами, або симплексними решітками. Дані плани вважаються повністю насиченими, тобто кількість експериментів у них дорівнює кількості невідомих коефіцієнтів відповідної моделі.

Деякі симплекс-граткові плани нижчого порядку входять, як складова частина, до планів більш високого порядку. Так, наприклад, квадратична гратка може бути отримана з лінійних граток, шляхом додавання серединних точок сторін, неповна кубічна гратка – додаванням до квадратичної гратки усього однієї точки у центрі симплексу. Це необхідно враховувати при вивченні багатокомпонентних систем, оскільки на практиці не завжди достатньо відомостей про вид поверхні кожної конкретної системи.

У симплекс-граткових планах експериментальні точки розміщені, зазвичай, на периферії симплексу. Знайдена за таким планом модель, добре описує результати експериментів на межі симплексу, але може бути досить не точною у центральних областях. Тому бажано проводити більше експериментів у середині симплексу, особливо для сумішей, що містять усі q компонентів. Таку можливість надають симплекс-центроїдні плани.

Ці плани містять точки з координатами:

;;…;,

а також, усі точки, що можна отримати перестановкою цих координат. Тобто, експериментальні точки розміщуються у вершинах симплексу, серединах сторін, центрах граней різноманітної розмірності і одна точка в центрі симплексу. З експериментальних точокq точок містять один не рівний нулю компонент; - два ненульових компонента;- три ненульових компоненти;- чотири ненульових компоненти, тощо, і одна точка містить усі компоненти.