Фуллерены и фуллерен- модифицированные углеродные волокна
рубрика: наука
Углерод — один из самых распространённых и удивительных химических элементов, встречающихся на земле. Из углерода состоит нефть, газ, торф. Углерод является основой живых организмов. Являясь одним из древнейших элементов, углерод в виде графита, алмаза был очень хорошо изучен к концу 20 века и никакого прорыва в этой области уже не ожидалось, но именно углерод оказался тем элементом, который имеет самое большое число аллотропных соединений.
В 1985 году абсолютно случайно группой англо-американских ученых, а именно Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли были открыты фуллерены. Молекулы имели 60 и 70 атомов углерода и ученые пришли к заключению, что молекулы нового соединения углерода должны иметь сферическое строение (рис. 1).
Рисунок 1. Структурная формула фуллерена С60
Свое название фуллерены получили в честь архитектора Бакминстера Фуллера автора музея Биосфера (Монреаль) (рис. 2). форма которого очень напоминала предполагаемую форму вновь открытого аллотропного соединения углерода.
Рисунок 2. Музей Биосфера, Монреаль, Канада
Да. Фуллерены были открыты в конце 20 века но, до сих пор вызывают научный интерес исследователей различных областей техники и технологий.
Фуллерены, благодаря своему необычному строению, привлекают химиков различных направлений, физиков, фармацевтов, биологов, вирусологов, которые установили, что многие вирусы, например полиомиелита, имеют фуллереноподобную структуру. Фуллерены существуют везде, где есть углерод, поэтому их открытие заинтересовало и геологов, а также специалистов в области естествознания. Возможно, раскрытие загадок фуллеренов позволит получить новые сведения о возникновении и эволюции Вселенной.
Делаются попытки применения фуллеренов в разработках полимер-углеродных композиционных материалов с повышенными физико-механическими, например, трибологическими свойствами [1]. С другой стороны, в начале нового тысячелетия появились работы, посвященные изучению сорбционных свойств материалов, модифицированных фуллеренами [2, 3]. Вместе с тем многие вопросы в научной литературе связанны со взаимодействием фуллеренов с матрицами таких сорбционноактивных материалов, как активированные угли, цеолиты и ионообменные смолы. При этом авторы работ уверенно заявляют о том, что введение фуллеренов в структуру сорбента даже в гомеопатических дозах (около 0,001 масс. %) существенным образом повышает сорбционные характеристики модифицированных материалов. В тоже время работ, посвященных изучению свойств углеродных волокнистых сорбентов, модифицированных фуллеренами насчитывается крайне мало.
Сотрудниками кафедры Наноструктурных, волокнистых и композиционных соединений им. А. И. Меоса СПбГУПТД получены углеродные активированные волокна, модифицированные фуллереном С60 путем введения этих наночастиц в структуру сорбента из растворов о-ксилола. Содержание фуллеренов варьировали от 0,005 до 0,015 масс. %. Сорбционные характеристики исходных и модифицированных волокон определяли гостированными методами (по поглощению красителя метиленового голубого, толуола, йода). Показано, что сорбционная активность по йоду и объем сорбционного пространства по толуолу углеродных волокон, модифицированных фуллеренами возрастают с увеличением содержания фуллеренов, достигают своего максимального значения (81% по йоду и 0,38 см3/г по толуолу) при содержании фуллеренов 0,005-0,01 масс. %., а затем уменьшаются практически до значения, соответствующего показателям не модифицированных волокон. А сорбционная емкость модифицированных фуллеренами углеродных волокон по красителю метиленовому голубому (МГ), являющему самым популярным тест-маркером, характеризующим сорбционные свойства материалов, с увеличением содержания фуллеренов увеличивается. Так, например, если сорбционная емкость по МГ исходных волокон составляла 200 мг/г, то введение фуллеренов привело к увеличению сорбционной ёмкости до 300 мг/г при содержании последних 0,015 масс. %.
Полученные результаты вносят существенный вклад как в теорию сорбционных процессов, так и позволяют наметить пути вторичного использования углеродных материалов, например, в средствах индивидуальной защиты органов дыхания.
Список литературы
- Шпилевский, М.Э. Фуллерены и фуллереноподобные структуры – основа перспективных материалов / М.Э. Шпилевский, Э.М. Шпилевский, В.Ф. Стельмах // Инженерно-физический журнал. – 2001. – Т. 74. – № 6. – С. 106-112.
- Пат. 2575712 Российская Федерация, МПК B 01 J 20/20, B 01 J 20/30. Сорбент на основе активного угля, содержащего фуллерен и способ его получения / В.В. Самонин ; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)». № 2014145174/05 ; заявл. 10.11.14 ; опубл. 20.02.16, Бюл. № 5.
- Пат. 2332258 Российская Федерация, МПК B 01 J 20/30, B 01 J 20/20. Способ получения твердых фуллереновых материалов с высокой сорбционной способностью / В.В. Самонин ; заявитель и патентообладатель Самонин Вячеслав Викторович. № 2007100794/15 ; заявл. 09.01.07 ; опубл. 27.08.08 Бюл. № 24.
