Научный доклад заведующего кафедрой химии и химической технологии ИжГТУ, доктора химических наук, профессора, директора Научно-образовательного Центра химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра УрО РАН Владимира Кодолова.

Доклад был сделан на международной конференции "Нанотехнологии - производству-2006", которая состоялась в наукограде Фрязино (Московская область).

Проблемы и перспективы развития ряда направлений наноиндустрии и нанообразования в Удмуртской Республике

В.И. Кодолов, Научно-образовательный центр химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра Уральского отделения РАН (Ижевск), Ижевский государственный технический университет

В Удмуртской Республике уже есть производства, которые можно отнести к наноиндустрии. В первую очередь к ним относится производство моделей и прототипов с помощью методов стереолитографии и прототипирования. Это производство организовано дочерним предприятием ОАО "Ижмаш". Сущность стереолитографии заключается в создании из жидкой полимерно-олигомерной композиции отвержденной модели или изделия (детали) с помощью лазерной фотополимеризации по компьютерной технологической трехмерной модели. Композиция представляет собой набор активных наноразмерных частиц, лазерная фотополимеризация которых осуществляется с помощью УФ лазера с определенной длиной волны, сканирующего поверхность тонкого слоя композиции на поверхности платформы. Платформа опускается на рассчитанную толщину технологического слоя в соответствии с программой, разработанной компьютерной модели. Метод позволяет снизить затраты на производство в 2 - 4 раза и значительно сократить время (иногда на порядок) от проектирования изделия до внедрения. Центр быстрого моделирования при ДОАО Научно-производственный центр высокоточной техники "Ижмаш" является единственным центром подобного уровня не только в Удмуртской Республике, но и за ее пределами. Использование нанотехнологий ДОАО НПЦ ВТ "Ижмаш" позволит промышленным предприятиям Удмуртии в короткие сроки освоить выпуск современной конкурентоспособной продукции.

В настоящее время в Институтах Удмуртского научного центра Уральского отделения РАН и Научно-образовательном центре химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра, который построен на ассоциативной основе Институтов УдНЦ УрО РАН и вузов Удмуртской Республики, развиваются работы по получению наноструктур, их исследованию и применению в материалах, конструкциях и приборах.

Здесь следует сказать, что одной из перспективных форм "нанообразования" является воспитание будущих исследователей, инженеров и менеджеров в области нанотехнологии в Научно-образовательных центрах, в которых осуществляется тесная связь науки, производства и подготовки кадров специалистов с учетом их переподготовки в дальнейшем. Примером такого центра является Научно-образовательный центр химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра УрО РАН, который включает кафедры Ижевского государственного технического университета, Удмуртского государственного университета и лаборатории академических институтов, а также контактирующие с ними лаборатории и опытно-экспериментальные участки некоторых предприятий.

В ряде случаев исследования ученых и специалистов Удмуртии доведены до стадии экспериментального производства. В частности получен нанопродукт, который может быть использован в малых количествах как эффективная улучшающая добавка в крупнотоннажные материалы.

Нанопродукты в виде нанопорошков, содержащих углеродные наночастицы, углеродные нанотрубки с включенными металлами, нанопаутину и нанопленки с нанокристаллами металлов на поверхности и внутри, представляют интерес для модификации крупнотоннажных органических и неорганических материалов при снижении стоимости нанопродуктов и введении их в материалы в сверхмалых количествах.

Основная идея получения нанопорошков, предлагаемая нами, заключается в создании "зародышей" и формировании наноструктур в нанореакторах специально подобранных матриц. Под нанореакторами в данном случае понимаются полости в активных матрицах (средах) определенных геометрических размеров и формы, стенки которых имеют достаточный потенциал для проведения специфических (селективных) реакций при введении в эти полости реагентов. В данном случае для осуществления производства активных наноструктур нами предложено три способа их получения в нанореакторах полимерных матриц:

1 способ. В качестве полимерной матрицы используется поливиниловый спирт, который образует водные растворы, а при высушивании гели с нанореакторами, стенки которых содержат гидроксильные группы. Способ заключается в том, что на первом этапе смешиваются в заданных соотношениях водные растворы определенных концентраций поливинилового спирта и солей металлов (меди, никеля или кобальта). После высушивания реакционной массы полученные цветные стеклоподобные материалы исследуются для контроля процесса и выбора режима тепловой обработки. В дальнейшем в определенном температурном режиме реакционная стеклоподобная масса нагревается до 300-400°С без доступа воздуха. Далее полученный черный высушивается и анализируется. Полученный нанопродукт представляет собой "паутину" из нанотрубок, частично заполненных металлами и металлсодержащими продуктами (в зависимости от природы металла). Новизна способа подтверждена патентом [1].

2 способ. В качестве полимерной матрицы, как и в предыдущем способе, применяют водный раствор поливинилового спирта, а в качестве металлсодержащего сырья металлургическую пыль. После смешения компонентов в определенном соотношении реакционную смесь подсушивают до образования стеклоподобной массы. Полученные стеклоподобные пленки контролируют и подвергают ступенчатому нагреву от 50 до 400°С.  В продукте, прогретом до 400°С, отмечено до 80% трубчатых наноструктур. Если процесс останавливали до 200°С, то нанопродукт представлял собой пакеты нанопленок (до 90-100%) с нанокристаллами металлов в них и на их поверхности [2].

3 способ. В этом способе использованы смеси твердых реагентов: металлургические пыли (или другие активные порошкообразные металлургические отходы), поливиниловый спирт (или вторичное полимерное сырье, например, вторичный полиэтилен, поливинилхлорид, гидролизный лигнин и т.п.). Смешение проводится с одновременным истиранием компонентов в мельницах или дезинтеграторах. После обработки смеси в мельнице реакционная масса нагревается по режиму, аналогичному способу 2. В результате получены те же продукты, что по способу 2 [2].

Получаемая себестоимость нанопродуктов по этим способам ожидается ниже всех известных в настоящее время способов и других способов, разработанных авторами [3-6], что позволит их применять для модификации крупнотоннажных материалов.

На основании гипотезы о резонансном характере влияния колебаний активных центров наноструктур на колебания чередующихся химических связей (например, водородных) в матрицах (активных средах) развит аппарат прогнозирования результатов модификации матриц наноструктурами, а также определения оптимальных составов полимерных композиций. Показано, что наноструктуры стимулируют автоволновой процесс усиления химических связей в определенных направлениях, что, в свою очередь, приводит к улучшению качества производимых материалов. Этим объясняется рост прочностных характеристик цементных и бетонных композиций при их модификации наноструктурами в сверхмалых количествах (10-4 - 10-8 доли) [7].

При введении в композиции пено- и газобетонов от 0,1 до 0,001% "паутины" из нанотрубок, заполненных медью, которую можно сравнить с "наноарматурой", прочностные характеристики соответствующих материалов увеличивались в 2 - 3 раза. Материалы приобретают достаточную прочность, чтобы их можно без разрушения перевозить от места производства на место строительства. Такая возможность позволяет повысить качество материалов и качество строительства. Кроме того, произведенные материалы могут исполнять роль и теплоизоляционных, и конструкционных материалов. Проведение модификации наноструктурами пено- и газобетонов защищены патентами [8-9]. В полупромышленных условиях произведено получение 30м3 пенобетона, модифицированного "наноарматурой" из нанотрубок (0,05%), и его испытание.

Введение нанопродукта, полученного по способу 1, как более дорогого (около 1 доллара США за грамм), в строительные композиции нецелесообразно даже при уменьшении его содержания до 10-4 доли. Наиболее интересным по производительности и по себестоимости является третий способ.

 Список литературы

1. В.И. Кодолов и др. Пат. РФ ?2221744, 20.01.2004.
2. В.И. Кодолов и др. Заявка ? 2006130921/ (033615) от 28.08.06
3. Пат. РФ. ?2223218, 10.02.2004.
4. Пат. РФ. 2225835, 20.03.2004.
5. Пат. РФ. ?2169699, 27.06.2001.
6. Пат. РФ. ?2135409, 1999.
7. В.И. Кодолов, Н.В. Хохряков, А.П. Кузнецов. Нанотехника, 2006, ? 3, с.27-35.
8. В.А. Крутиков и др. Пат. РФ 2281262, 2006.
9. В.А. Крутиков и др. Пат. РФ ? 2287505, 2006.