CC BY
73
УДК 539.211:541.64:544.72.023
ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
1,2ШУКЛИН С. Г., 3БЫСТРОВ С. Г., 4ШУКЛИН Д. С.
1Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 Физико-технический институт Уральского отделения РАН, 426000, г. Ижевск, Кирова, 132 4ООО «Новый дом», 426053, г. Ижевск, ул. Салютовская, 31
АННОТАЦИЯ. Исследованы углеродные нанотрубки методом растровой электронной микроскопии и Оже-электронной спектроскопии на микроскопе !БОЬ. Режимы измерений - ускоряющее напряжение 10 кВ, ток в режиме микроскопии 10-9 А, ток в режиме спектроскопии 10-6 А. Образец наносился на металлическую сетку. Данные спектроскопии свидетельствуют, что данный образец состоит из углерода (пик в области энергии 280 эВ). Другие интенсивные пики на спектре отсутствуют, т.е. никакие примеси данным методом не зафиксированы. Показано, что данный образец обладает высокой термостойкостью.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: углеродные нанотрубки, растровая электронная микроскопия, Оже-электронная спектроскопия.
Анализ состояния проблемы показал, что создание новых типов полимерных конструкционных материалов с использованием классических приемов наполнения полимерных матриц традиционными дисперсными наполнителями в значительной степени исчерпало себя в плане достижения нового уровня эксплуатационных свойств. Новые прорывные решения могут быть достигнуты только с использованием основных принципов нанотехнологий, то есть переходом к ультрадисперсному состоянию усиливающих компонентов [1].
В последние годы в России и за рубежом ведутся интенсивные исследования в области создания наноструктурированных полимерных композитов [2]. Структурирование олигомеров и полимеров нанодисперсными или наноструктурными микрочастицами (наномодификаторами) искусственного или природного происхождения - один из способов получения полимерных материалов нового поколения. Управление структурой на наноуровне позволяет значительно снизить дефектность структуры и, следовательно, повысить комплекс прочностных и барьерных характеристик, как матричных полимеров, так и композитов на их основе [3]. Для модификации полимеров возможно использование как природных нанопродуктов (монтмориллонит, вермикулит, нанокремнеземы) так и искусственных нанопродуктов - фуллеренов, углеродных нанотрубок (УНТ), астраленов, наноалмазов. УНТ обладают большой площадью поверхности и уникальными механическими свойствами [4 - 6].
Исследовались углеродные многослойные нанотрубки (УНТ) «Таунит» производства фирмы «Нанотехцентр» (г. Тамбов). По паспортным данным наружный диаметр трубок составлял от 15 до 40 нм, внутренний диаметр менялся в пределах от 3 до 8 нм, длина от 2 мкм и более. Исходные УНТ (Тамбов) исследованы методом растровой электронной микроскопии и Оже-электронной спектроскопии на микроскопе ШОЬ. Режимы измерений -ускоряющее напряжение 10 кВ, ток в режиме микроскопии 10-9 А, ток в режиме спектроскопии 10-6 А. Образец наносился на металлическую сетку.
Первоначально было необходимо протестировать УНТ на соответствие паспортным данным. Эта операция признается необходимой большинством исследователей, поскольку зачастую заявленные характеристики наноструктур не соответствуют действительности.
На рисунках приведены изображения нанотрубок с различным увеличением (на снимках показана масштабная линейка в мкм). Минимальное увеличение 370, максимальное 1*104.
Рис. 1. Изображение нанотрубок в режиме растровой микроскопии. Увеличение 1х103
Рис. 2. Изображение нанотрубок в режиме растровой микроскопии. Увеличение 2х103
Рис. 3. Изображение нанотрубок в режиме растровой микроскопии. Увеличение 2,5х103
Видно, что образец имеет рыхлую структуру, напоминающую вату - переплетенные волокна.
Рис. 4. Изображение нанотрубок в режиме растровой микроскопии. Увеличение 5х103
На краю холмиков видны тонкие пучки волокон - по-видимому, нанотрубки. Диаметр этих пучков, в среднем, порядка 70 нм. По паспорту на УНТ их наружный диаметр 15 - 40 нм. Т.е., судя по фотографии, порядки размеров совпадают. Это, действительно, не сажа, а структурированный в нанометровом диапазоне материал.
Рис. 5. Изображение нанотрубок в режиме растровой микроскопии
Увеличение предельное для данного микроскопа - 1*104. Резкость ухудшается, но пучки на краях частиц видны.
Далее ток был увеличен до 10-6 А и получен Оже-электронный спектр исследуемого образца. Эти спектры дают информацию о качественном химическом составе поверхности. Возможен и полуколичественный анализ. По форме пика можно судить о том, в каком структурном состоянии находится вещество (аморфное, кристаллическое и т.п.).
100000 с 50000 5 0
ш
тз
тз
.0 н
о о
X
ей
0
1 -250000 -300000 -350000
-50000 -100000 -150000 -200000
400
Энергия Е, эВ
Рис. 6. Оже-электронный спектр исследуемого образца
Данные спектроскопии свидетельствуют, что данный образец состоит из углерода (пик в области энергии 280 эВ). Другие интенсивные пики на спектре отсутствуют, т.е. никакие примеси данным методом не зафиксированы.
На рис. 7 показан тот же участок образца, на котором был получен спектр. Видно, что на поверхности отсутствуют следы деструкции или оплавления образца. Дисперсные металлы при таких энергиях электронного пучка зачастую оплавляются, появляются капли. Следовательно, данный образец обладает высокой термостойкостью.
Рис. 7. Изображение нанотрубок в режиме растровой микроскопии. Увеличение 370 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Определено, что диаметр нанотрубок, в среднем, порядка 70 нм. По паспорту на УНТ их наружный диаметр 15 - 40 нм. Т.е., судя по фотографии, порядки размеров совпадают. Это, действительно, не сажа, а структурированный в нанометровом диапазоне материал.
Данные спектроскопии свидетельствуют, что исследуемый образец состоит из углерода (пик в области энергии 280 эВ). Другие интенсивные пики на спектре отсутствуют, т.е. никакие примеси данным методом не зафиксированы.
По изображению нанотрубок в режиме растровой микроскопии видно, что на поверхности отсутствуют следы деструкции или оплавления образца. Следовательно, данный образец обладает высокой термостойкостью.
В дальнейшем планируется провести исследования по влиянию углеродных нанотрубок на физико-механические свойства, теплопроводность полиэфирных и эпоксидных смол, лаков и красок. Провести оптимизацию режимов дезинтеграции и стабилизации углеродных нанотрубок и определить влияние их на эксплуатационные характеристики полимерной матрицы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карбушев В. В. Реологические и механические свойства полимеров, наполненных наноразмерными частицами алмазов детонационного синтеза: Автореф. дис. канд. хим. наук. М., 2010. 26 с.
2. Куличихин В. Г. Новые подходы к переработке нанокомпозитов на основе полимерных матриц // Сборник тезисов докладов Международного форума по нанотехнологиям «Rusnanotech 08». Москва, 03-05 декабря 2008 г. М.: РОСНАНО, 2008. Т. 1. С. 392-393.
3. Огрель Л. Ю., Строкова В. В., Ли Яхо, Джан Баоде. Управление структурообразованием олигомеров и полимерных композитов неорганическими модификаторами // Материалы трудов третьих Воскресенских чтений «Полимеры в строительстве». г. Казань, 19-20 мая 2009 г. Казань: Изд-во КазГАСУ, 2009. С. 73-76.
4. Simonyan V. V., Johnson J. K. Hydrogen storage in carbon nanotubes and graphitic nanofibers // Journal of Alloys and Compounds, 2002, vol. 330-332, pp. 659-665. doi: 10.1016/S0925-8388(01)01664-4
5. Gavalas V. G., Andrews R., Bhattacharyya D., Bachas L. G. Carbon nanotube sol-gel composite materials // Nano Letters, 2001, vol. 1, no. 12, pp. 719-721. doi: 10.1021/nl015614w
6. Girifalco L. A., Hodak M., Lee R. S. Carbon nanotubes, buckyballs, ropes, and a universal graphitic potential // Physical Review B, 2000, vol. 62, no. 19, pp. 13104-13110. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.13104
INVESTIGATION OF THE CARBON NANOTUBES
1,2Shuklin S. G., 3Bystrov S. G., 4Shuklin D. G.
:Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia 2Udmurt State University, Izhevsk, Russia
3Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia 4 LLC «New house», Izhevsk, Russia
SUMMARY. Carbon nanotubes by method of a scanning electron microscope and t x-ray photoelectron spectroscopy on JEOL microscope are investigated. The modes of measurements - the accelerating voltage of 10 kV, current in the mode of a microscopy 10-9 A, current in the mode of a spectroscopy 10-6 A. The exemplar was applied on a gauze. These spectroscopies demonstrate that this exemplar consists of carbon (peak in the field of energy 280 ev). Other intensive peaks on a range are absent, i.e. no impurity are recorded by this method. Definitely, that diameter of the nanotubes, on the average, is the order of 70 nanometers. Under the passport on carbon nanotubes their external diameter is equal 15 - 40 nanometers. Thus, by a photo, orders of the sizes coincide. It, really, not a soot, but the material, structured in a nanometer range. Under the image of the nanotubes in a mode of raster microscopy it is visible, that on a surface there are no traces of destruction or thermal reflow of the sample. Hence, the given sample possesses the high thermostability.
KEYWORDS: carbon nanotubes, x-ray photoelectron spectroscopy. scanning electron microscope. REFERENCES
1. Karbushev V. V. Reologicheskie i mekhanicheskie svoystva polimerov, napolnennykh nanorazmernymi chastitsami almazov detonatsionnogo sinteza [The rheological and mechanical properties of polymers filled with nanoparticles of detonation synthesis diamond]. Moscow, 2010. 26 p.
2. Kulichikhin V. G. Novye podkhody k pererabotke nanokompozitov na osnove polimernykh matrits [New approaches to the processing of nanocomposites based on polymer matrices]. Sbornik tezisov dokladov Mezhdunarodnogo foruma po nanotekhnologiyam Rusnanotech 08 [Collection of abstracts of the International Nanotechnology Forum Rusnanotech 08]. Moscow: ROSNANO Publ., 2008, vol. 1, pp. 392-393.
3. Ogrel' L. Yu., Strokova V. V., Li Yakho, Dzhan Baode. Upravlenie strukturoobrazovaniem oligomerov i polimernykh kompozitov neorganicheskimi modifikatorami [Management structure formation of oligomers and polymer composites, inorganic modifiers]. Materialy trudov tret'ikh Voskresenskikh chteniy Polimery v stroitel'stve [Proceedings of the Proceedings of the Third Resurrection Readings Polymers in Construction]. Kazan: KazGASU Publ., 2009, pp. 73-76.
4. Simonyan V. V., Johnson J. K. Hydrogen storage in carbon nanotubes and graphitic nanofibers. Journal of Alloys and Compounds, 2002, vol. 330-332, pp. 659-665. doi: 10.1016/S0925-8388(01)01664-4
5. Gavalas V. G., Andrews R., Bhattacharyya D., Bachas L. G. Carbon nanotube sol-gel composite materials. Nano Letters, 2001, vol. 1, no. 12, pp. 719-721. doi: 10.1021/nl015614w
6. Girifalco L. A., Hodak M., Lee R. S. Carbon nanotubes, buckyballs, ropes, and a universal graphitic potential. Physical Review B, 2000, vol. 62, no. 19, pp. 13104-13110. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.13104
Шуклин Сергей Григорьевич, доктор химических наук, профессор кафедры «Нанотехнологии и микросистемная техника», директор ЦМиТТ, УдГУ, тел. (3412)66-34-66, e-mail: shuklin_sg@mail.ru
Быстров Сергей Геннадьевич, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН, тел. (3412)25-01-80, e-mail: bystrov@udm. net
Шуклин Дмитрий Сергеевич, заместитель начальника центральной лаборатории ООО «Новый дом», тел. (3412)46-47-00, e-mail: shedas@mail.ru
