Глава 6. Распространенные и перспективные наноматериалы 4 страница

Свойство	Дисперсия с микрочастицами	Дисперсия с наночастицами
устойчивость отношение S / V электропроводность проницаемость в микроканалах эрозионное действие наноэффекты	неустойчива   низкая   нет   да нет	устойчива на три порядка выше, чем для микрочастиц высокая   есть   нет есть

[Nanofluids. Science and Technology. S.K.Das, S.U.S.Choi, W.Yu, T.Pradeep, eds. Wiley. 2007. 407 p.]

Стабилизация достигается несколькими основными методами, которые делятся на методы ковалентной и нековалентной функциализации. К ковалентной функциализации относится прививка к поверхности наночастиц функциональных групп, обладающих гидрофильностью или органофильностью (например, карбоксильных или гидроксильных групп). Нековалентная функциализация включает использование ПАВ и определённых органических соединений, способных адсорбироваться на наночастицах. Для стабилизации дисперсий лиофобных наночастиц помимо ПАВ используют алкантиолы, фосфины, четвертичные аммониевые основания и полимеры, особенно полиэлектролиты.

Главная проблема, которую приходится преодолевать, – это склонность наночастиц многих веществ к агрегированию.

Для стабилизации наночастиц используют два приема, основанные на стерическом или электростатическом (ван-дер-ваальсовом) отталкивании. Первое достигается при введении ПАВ, обволакивающих полимеров или других органических соединений, второе – путем адсорбции заряженных частиц (например, H⁺ или ОН^-). Возможность стабилизации непосредственно в процессе или сразу после него является достоинством методов получения наночастиц из растворов. ^6-46

Для стабилизации углеродных наночастиц (УНТ и УНВ) в водных и органических дисперсиях используют различные ПАВ, линейные полимеры или их природные смеси (гуммиарабик, желатин) и ковалентную функциализацию. Концентрация дисперсий может достигать 20 г/л. ^6-47

Для Au и Ag можно использовать также их сродство к S за счет образования донорно-акцепторной связи: молекулы, содержащие SH-группы (в том числе биомолекулы), легко связываются с наночастицами этих металлов. Это же свойство можно использовать для привязывания наночастиц Au и Ag к тиолированным поверхностям других веществ. Наночастицы Au используют в биохимии и иммунохимии (Дыкман*).

Стабилизированные дисперсии используются в качестве магнитных жидкостей, теплоносителей и как промежуточные вещества при получении покрытий с функциональными свойствами (красителей, антикоррозионных, радиозащитных и антифрикционных покрытий). Дисперсии, в частности, применяются для получения покрытий из УНТ и УНВ и введения их в полимерные или керамические матрицы. Стабилизированные дисперсии наночастиц некоторых металлов используют в качестве моторного масла.

Наиболее распространены магнитные жидкости – стабилизированные добавками ПАВ дисперсии магнитных металлов и сплавов, магнетита, ферритов MFe₂O₄ (M = Mg, Zn, Mn, Co, Ni) и нестехиометрических карбидов железа в декалине или силиконовом масле. Размер наночастиц составляет обычно 5–10 нм. Для защиты металлов от окисления магнитные наночастицы покрывают инертной оболочкой (капсулирование).

Выпускаются также водные микроэмульсии, состоящие из стабилизированных ПАВ капель масла с наночастицами магнитных материалов.

Сравнение теплопроводности различных веществ (табл. 24) показывает, что твердые вещества в этом отношении значительно превосходят жидкости.

Табл. 24.

Таблица 24. Характеристики теплопроводных материалов

Группа веществ	Вещество	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м К)
Твердые металлы	Ag Cu Al
Твердые неметаллы	углеродные нанотрубки Si Al2O3
Жидкие металлы	Na (664 К)	72.3
Неметаллические жидкости	вода этиленгликоль моторное масло	0.613 0.253 0.145

Идея повышения теплопроводности жидкостей добавками твердых веществ была высказана более столетия назад, однако её реализация затруднялась из-за низкой стабильности суспензий и их эрозионным действием. Ситуация изменилась с созданием производства наночастиц, что позволило перейти к новому поколению теплоносителей. Задача создания теплопроводных наножидкостей состоит в том, чтобы получить наибольшую теплопроводность при наименьшем количестве дисперсной (твёрдой) фазы. Предпочтительно иметь дисперсии с концентрацией частиц менее 1 об.% и размером менее 10 нм.

Высокотеплопроводные наножидкости необходимы в микроэлектронике, компьютерной технике, энергетике, метрологии, обороне и на транспорте. Отмечена тенденция к возрастанию применения нанокомпозитов в энергетике.

Частицы миллиметровых и микрометровых размеров склонны к осаждению из дисперсий, а в потоке обладают сильным эрозионным действием. Обычно такие дисперсии содержат более 10 об.% частиц, что приводит к большому расходу энергии при перекачивании и большому сопротивлению системы. Кроме того, их нельзя применять в устройствах с микроканалами.

Микроканалы имеют характеристический размер менее 100 мкм, теплообменники с микроканалами характеризуются высокой поверхностью теплообмена, большой эффективностью, малой массой, невысоким объёмом и массой теплоносителя и гибкостью конструкций. Такие теплообменники на транспорте приводят к существенной экономии горючего, в строительных сооружениях и на производстве (холодильники, системы кондиционирования воздуха) экономят объём зданий.

Для создания наножидкостей применяют металлы (Cu, Ag, Au), сплавы (Al₇₀Cu₃₀), оксиды (CuO, Al₂O₃ , TiO₂, Fe₃O₄), нитриды (AlN, Si₃N₄), карбиды (SiC, TiC), углеродные наноматериалы (сажа, фуллерены, наноалмазы, нанотрубки) и композиты, в качестве жидкостей используют воду, этиленгликоль или технические масла.

Для получения наночастиц и последующего изготовления наножидкостей пригодны все или большая часть описанных в предыдущих главах методов. К ним относится, например, восстановление CuSO₄∙5H₂O в растворе этиленгликоля действием NaH₂PO₂∙H₂O при микроволновом активировании процесса. Наночастицы Cu выделяют также электродуговым диспергированием в среде этиленгликоля или растворов этиленгликоль–вода. Наночастицы Cu размером 10 нм при концентрации 0.3 об.% увеличивают теплопроводность этиленгликоля на 40%, наночастицы размером 100 нм при концентрации 7.5 об.% повышают теплопроводность воды на 78%.

Нередко способы получения наножидкостей делят на две группы: двухстадийные и одностадийные. В первом случае сначала получают наночастицы, затем их стабилизируют в жидкости, во втором, менее распространённом, случае синтез и стабилизация совмещены.

Теплопроводность наножидкостей нелинейно связана с концентрацией наночастиц. Введение наночастиц повышает коэффициент теплообмена при ламинарном и турбулентном движении жидкости, при кипении, но понижает его при естественной циркуляции.

Наиболее существенное повышение теплопроводности (на 160% при концентрации 1% УНТ определённого вида в полимерном масле и на 30–38% при концентрации 0.6–2.0 об.% обычных УНТ в машинном масле, этиленгликоле и воде) достигается при использовании дисперсий функциализованных УНТ или УНТ, стабилизированных ПАВ. Важно, что такие дисперсии не обладают абразивным действием. Особенностью УНТ как теплопроводного наполнителя является то, что на величину эффективной теплопроводности сильное влияние оказывает отношение длины УНТ к их диаметру: чем длиннее трубки, тем в большей степени они повышают теплопроводность дисперсии. Следует также отметить, что повышение степени функциализации снижает эффективную теплопроводность дисперсии.

Добавки Al₂O₃ повышают критический тепловой поток при кипении воды в большом объёме на 200%. Интересно, что повышение содержания Al₂O₃ со средним размером 8.0 нм приводит к снижению температуры плавления дисперсии (до -8.5 ^оС при 6.19 масс.%). Аналогичный эффект отмечен в случае наночастиц TiO₂.

Добавки наночастиц Al₂O₃ при их объёмной концентрации 0.01% способствуют увеличению критического теплового потока на 30%. В то же время уменьшение размеров наночастиц Al₂O₃ ниже 50 нм приводит к снижению теплопроводности дисперсии, что вызывается рассеянием фононов на поверхности жидкость–твёрдое тело.

У наножидкостей проявляется своеобразный размерный эффект: чем меньше размер частиц, тем выше теплопроводность.

Дисперсии наночастиц понижают коэффициент трения и могут использоваться в качестве эффективных смазок трущихся деталей.

Контрольные вопросы и задания по главе 6.

6.1. Графен и его свойства.

6.2. Морфология, строение и основные свойства углеродных нанотрубок и нановолокон.

6.3. Каковы основные разделы химии углеродных нанотрубок?

6.4. Способы получения углеродных нанотрубок.

6.5. Какие известны виды макроматериалов из углеродных нанотрубок?

6.6. Классификация композитов с углеродными нанотрубками.

6.7. Строение, разновидности и основные свойства фуллеренов.

6.8. Наноалмазы.

6.9. Основные наноматериалы из простых веществ.

6.10. Основные оксидные наноматериалы.

6.11. Стабилизированные дисперсии наночастиц.

Дата добавления: 2015-07-24