Измени меня! Как углеродные добавки совершенствуют материалы

Промышленность постоянно ищет инновационные решения, позволяющие совершенствовать свойства базовых материалов, сделать их более функциональными и эффективными. Одним из ключевых достижений в этой области является введение в них углеродных материалов, улучшающих различные эксплуатационные свойства конечного продукта. Например, придающих ему антистатичность, жаростойкость, повышенную химическую стойкость, адгезию или прочность.

Углеродная нанотрубка как один из видов углеродных материалов представляет собой чрезвычайно тонкий свернутый лист графена. В сравнении с другими добавками преимущество графеновых нанотрубок в том, что даже их крайне малая концентрация в материале может радикально изменить удельные свойства материала — например, повысить устойчивость к воздействию статического электричества.

Давайте рассмотрим пример из жизни. На автомобильной заправке зачастую можно заметить полимерные канистры, предназначенные для транспортировки топлива. Но когда мы приходим с собственной канистрой из пластика, нам могут сказать, что заправлять ее бензином нельзя, поскольку она не обладает антистатическими свойствами. Что это означает? Когда снимается пистолет с заправочной станции, в нем может накопиться статическое электричество. При заливке топлива есть риск возникновения искры, дальше вполне вероятно воспламенение горючего или даже взрыв. Тем не менее на самой заправке пластиковые канистры используют. Почему? Дело в том, что при производстве именно этих канистр применялись модификаторы, поверхностно — активные вещества (ПАВ), которые и придали им антистатические свойства. При этом антистатический эффект ПАВ недолговечен, и производители антистатических канистр ищут решения, позволяющие сделать его постоянным. Это нано- и микроразмерные углеродные материалы, особенно нанотрубки.

Поиском и внедрением модифицирующих добавок занимаются с 2016 года в Центре нанотехнологий и наноматериалов Республики Мордовия.

Модификаторы можно использовать в огромном количестве самых разных направлений — от нефтегазовой промышленности до производства электроники.

«Если вы покупали процессор для компьютера, то, наверное, видели, что он запакован в матовую темную пленку. И вот эту матовость придает наличие в пленке углеродных материалов, которые, в свою очередь, снимают риск повреждения товара статическим электрозарядом», — говорит директор департамента инфраструктурных проектов Фонда инфраструктурных и образовательных программ Максим Чепезубов.

Для шахтеров, работающих в забое, отсутствие накопленного статического электричества — один из залогов безопасности. Поэтому в прошлом экипировка производилась из металла и весила как туристический рюкзак. В настоящее время мы видим тенденцию на замену металлической экипировки на специальный пластик, у которого отсутствует риск накопления электрозаряда.

Антистатические свойства материалов нужны даже в городских парках, где основные развлекательные сооружения, в том числе горки, построены полностью из пластика. «Пока летишь несколько метров по такой горке, может собраться большое количество статического электричества, и в конце пути волосы встанут дыбом, как у одуванчика. Передовые производители детских развлекательных комплексов вводят мастербатчи с антистатической добавкой», — отмечает Максим Чепезубов.

Введение нанотрубок в асфальтобетонную смесь позволяет в несколько раз повысить ее демпфирующие свойства, то есть защитить дорожное полотно от разрушения в период осенне-весенней распутицы, когда вода, попавшая в трещины, замерзает и, расширяясь, разрушает дорожное полотно. В этом направлении у нас плотная кооперация с Московским автодорожным институтом как «законодателем мод» в части новых ГОСТов укладки дорог.

Проектная компания «ОксиЛаб» Северо-Западного центра трансфера технологий, который является частью инвестиционной сети Фонда инфраструктурных и образовательных программ, наладила производство мастербатча Carbix Epoxy для эпоксидных наливных полов. Материал также изготавливается с использованием одностенных углеродных нанотрубок. Подобные антистатические добавки ранее предлагались только китайскими и европейскими поставщиками. Надо сразу сказать, что рынок наливных полимерных полов в России находится на стадии роста: в 2017 году его производственный объем составил порядка 6 млн кв. м. Однако специалисты прогнозируют существенное увеличение рынка в ближайшие годы до 350 млн кв. м, что сопоставимо с показателями ведущих промышленных стран.

Антистатические добавки Сarbix могут применяться не только в производстве наливных полов. Перспективное направление — полимерные формованные изделия: пленки, оплетки кабелей, антистатические лотки. В текущем году компания «ОксиЛаб» приступила к разработке комплекса мастербатчей, предназначенных для тонкослойных лакокрасочных систем, которые не влияют на цветовой оттенок и декоративные характеристики покрытий. За девять месяцев 2023 года объем продаж продукции Carbix вырос в 45 раз по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Инженеры-технологи из стартапа «АрктикТекс» при содействии специалистов из Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна и Университета Государственной противопожарной службы МЧС России создали новый текстурный материал с использованием углеродных добавок. Из него делают экипировку пожарных, несущих вахту в условиях низких арктических температур. Такая спецодежда устойчива к тепловому потоку, обеспечивает нормальную терморегуляцию, защищает от переохлаждения.

Модификация материалов основывается не только на использовании нанотрубок.

В Саранском центре трудятся над применением поликарбонат фторидов — углеродных составов, дополнительно обработанных фтором. Подобные добавки в смазочный материал позволят смазке не вымываться из узлов и механизмов, соответственно, служить значительно дольше, чем обычно.

Все линии электропередачи, сети, по которым питаются троллейбусы и трамваи в наших городах, стянуты между собой болтовыми соединениями. Ремонт таких узлов затруднен по причине невозможности раскрутить стяжку. Использование модифицированных смазок избавит энергетиков и работников коммунальных служб от многих проблем и обеспечит ремонтопригодность технологических узлов. Все эти эффекты дают соединения углеродных материалов и фтора, отмечает Максим Чепезубов. По его словам, поликарбонат фториды можно использовать в редукторах домовых лифтов, в осях железнодорожных вагонов и в другом оборудовании, где широко применяются смазочные материалы.

Конечно, модифицирующие добавки не единственный инструмент для решения задач в материаловедении. Но они позволяют инженерам и технологам создавать продукты с новыми или улучшенными характеристиками. Это далеко не единственные сферы применения углеродных материалов. Технологические компании постоянно находятся в поиске новых сфер применения, среди которых — использование таких добавок в аккумуляторных батареях электротранспорта для кратного увеличения их емкости, упрочнение бетона и многое другое.