Главная страница /

 

Коллектив ученых из Института физиологически активных веществ РАН, Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, НИЦ КИ – Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова и Объединенного института ядерных исследований предложил новый подход к получению аэрогелей на основе резорцин-формальдегидных смол с контролируемой пористостью и высокой механической прочностью. Результаты исследований перспективны для создания высокоэффективных звуко- и теплоизоляционных материалов и сорбентов и опубликованы в Journal of Porous Materials.

 

Аэрогели – уникальный класс современных материалов, их структура представляет собой легкую ажурную сетку из соединенных друг с другом наночастиц. При этом содержание наночастиц в аэрогелях очень мало, в некоторых случаях оно составляет менее 1% – данные материалы практически целиком состоят из воздуха. Благодаря этому аэрогели практически невесомы и обладают прекрасными звуко- и теплоизоляционными свойствами. Наиболее известны аэрогели, получаемые из оксида кремния – именно их отправляли в космос в рамках проекта NASA «Stardust» («Звездная пыль») для того, чтобы улавливать частички комет. Однако аэрогели, изготовленные из оксида кремния и некоторых других оксидов металлов, обладают очень низкой механической прочностью – они зачастую рассыпаются от легкого прикосновения.

 

Создать легкую ажурную сетку можно не только из неорганических наночастиц, но и из полимеров – известны аэрогели из целлюлозы, полиэтилена, даже из хитина (из него состоит экзоскелет насекомых) и кевлара (используемого для производства бронежилетов). Первыми полимерными аэрогелями, полученными более 30 лет назад, были высокопористые фенол-альдегидные, в частности, резорцин-формальдегидные, смолы. С фенол-альдегидными смолами встречался каждый, кто стоял на ступенях эскалатора в метро или держал в руке электрическую вилку. Фенол-альдегидные смолы обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью, прекрасными электроизоляционными свойствами. В свою очередь, высокопористые фенол-альдегидные смолы являются не только прочными звуко- и теплоизоляционными материалами, но и перспективными сорбентами, недорогими носителями для катализаторов, элементами газовых сенсоров. Важнейшей особенностью фенол-альдегидных аэрогелей является возможность их превращения в высокопористые углеродные материалы для использования в составе высокоемких электрических аккумуляторов.

 

Коллектив авторов из Москвы, Черноголовки, Гатчины и Дубны представил новый метод синтеза прочных высокопористых полимерных смол для получения функциональных материалов. Исследование прокомментировал автор статьи, заведующий Лабораторией синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, кандидат химических наук Александр Баранчиков: «Очевидно, что свойства фенол-альдегидных аэрогелей определяются их структурой – размером и диаметром пор, плотностью и т.д., – которая, в свою очередь, зависит от условий получения гелей, от скорости полимеризации органических молекул и сшивки полимерных цепей. Обычно резорцин-формальдегидные гели получают поликонденсацией резорцина и формальдегида в присутствии катализаторов – кислот или оснований, – а в качестве растворителя используют воду или ацетонитрил. Когда мы, совместно с лабораторией д.х.н. С.А. Лермонтова из Института физиологически активных веществ РАН планировали наше исследование, оказалось, что роль растворителя в синтезе резорцин-формальдегидных гелей и аэрогелей до сих пор практически не изучена».

 

Исследователи провели синтез резорцин-формальдегидных аэрогелей с использованием двух очень доступных органических растворителей – ацетонитрила и диметилсульфоксида, – которые очень сильно различаются по своей способности связывать протоны, катализирующие взаимодействие резорцина и формальдегида. Оказалось, что растворитель действительно существенно влияет на структуру и свойства получаемых аэрогелей (площадь поверхности, пористость, плотность и механическую прочность). При использовании диметилсульфоксида удалось получить полимерный аэрогель с удельной поверхностью около 200 м²/г и прочностью на сжатие около 30 МПа. По своей прочности этот аэрогель, конечно, уступает конструкционным сталям, однако столбик такого материала радиусом всего 1 см и массой 1 грамм вполне выдержит вес современного мотоцикла.

 

Благодаря сотрудничеству с Объединенным институтом ядерных исследований и НИЦ КИ – Петербургским институтом ядерной физики им. Б.П. Константинова полученные аэрогели были проанализированы методом малоуглового рассеяния нейтронного излучения. Оказалось, что они обладают очень необычной структурой, которую можно описать с использованием подходов фрактальной геометрии. Высокопористые фрактальные полимеры интересны с точки зрения детального анализа механизмов реакций образования высокомолекулярных систем и в последнее время вызывают особо пристальное внимание специалистов.

 

 

 

Внешний вид резорцин-формальдегидных аэрогелей и их структура при большом увеличении

 

 

«Наша работа продемонстрировала, что использование базовых химических знаний может существенно расширить возможности синтетических приемов, используемых для получения перспективных конструкционных и функциональных материалов.» – заключил Александр Баранчиков.

 

Работа поддержана Российским научным фондом (грант 19-73-20125).

 

Источник: S.A. Lermontov, A.N. Malkova, A.А. Kolmakova, N.A. Sipyagina, A.E. Baranchikov, M.A. Kaplan, A.S. Baikin, A.G. Kolmakov, G.P. Kopitsa, O.S. Ivanova, Y.E. Gorshkova, V.K. Ivanov. The dramatic influence of gelation solvent choice on the structure and mechanical properties of resorcinol-formaldehyde aerogels // J. Porous Mater. 2022. DOI: 10.1007/s10934-022-01365-4

 

Пресс-релиз опубликован на сайтах Поиск https://poisknews.ru/nanotehnologii/predlozhen-novyj-sposob-polucheniya-prochnyh-polimernyh-aerogelej/, Научная Россия https://scientificrussia.ru/articles/rossijskie-ucenye-predlozili-novyj-sposob-polucenia-procnyh-polimernyh-aerogelej, РАН https://new.ras.ru/mir-nauky/articles/predlozhili-novyy-sposob-polucheniya-prochnykh-polimernykh-aerogeley/, РНФ https://rscf.ru/news/release/novyy-sposob-polucheniya-prochnykh-polimernykh-aerogeley/, Индикатор https://indicator.ru/chemistry-and-materials/rossiiskie-uchenye-predlozhili-novyi-sposob-polucheniya-prochnykh-polimernykh-aerogelei-27-10-2022.htm, Mendeleev.info https://mendeleev.info/rossijskie-uchenye-predlozhili-novyj-sposob-polucheniya-prochnyh-polimernyh-aerogelej/, NanoNewsNet.ru https://www.nanonewsnet.ru/news/2022/rossiiskie-uchenye-predlozhili-novyi-sposob-polucheniya-prochnykh-polimernykh-aerogelei, Technovery.com https://technovery.com/predlozhen-novyj-sposob-polucheniya-prochnyh-polimernyh-aerogelej/, в Научном микроблоге Минобрнауки России https://sciencemon.ru/office/org/blog/261116/, а также в разделе «Пресс-релизы» сайта ИОНХ РАН.