Материалы портала «Научная Россия»

Природные алюмосиликаты из Карелии и Приморья защитят транспорт

Природные алюмосиликаты из Карелии и Приморья защитят транспорт
Учёные-химики с Дальнего Востока создали гибридные композиционные материалы, которые снижают трение и износ металлических поверхностейна основе слоистых силикатов вермикулита и нонтронита

Научные проблемы современной химии требуют не только открытия фундаментальных законов, но и создания прикладных разработок. Так, новое знание нашло применение для природных слоистых силикатов - вермикулита, полученного с Ковдорского месторождения Карелии, и нонтронита с месторождения на острове Попова Приморского края.

Что представляет собой работа по модификации силикатов и изучению свойств полученных материалов? Об этом рассказали руководитель проекта, Николай Шапкин, заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор кафедры общей, неорганической и элементоорганической химии ДВФУ и один из участников группы, старший научный сотрудник Института химии ДВФО РАН, кандидат химических наук Александр Панасенко.

Прежде всего, «природные слоистые силикаты обладают слоистой структурой, где между слоями алюминия и кремния находятся атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Если их извлечь и заменить на полимерный гель, то слои легко скользят друг относительно друга, являясь при этом твёрдой смазкой. Такие смазки обычно используются в подшипниках скольжения в коленчатых валах машин и механизмов, железнодорожных вагонах, дизелях и т.д.», - отмечает профессор Шапкин.

Проект по созданию новых гибридных материалов является продолжением предыдущего многолетнего исследования дальневосточных ученых. О предыстории научного сотрудничества сообщил руководитель группы Николай Шапкин: «Работы по модифицированию поверхности твёрдых носителей (силикагель, природный цеолит) элементоорганическими соединениями были начаты ещё в 80-х годах прошлого столетия для получения специфических сорбентов, которые были использованы для выделения биологически активных веществ из морских организмов. А идея использования их в качестве твёрдых смазок появилась после обращения профессора Л.Б. Леонтьева из Инженерной школы, который занимался вопросами трибологии. Он использовал на тот момент известный алюмосиликат – серпентинит. И я предложил ему попробовать наш модифицированный вермикулит. Это привело к определённым успехам, и было закреплено пятью патентами РФ, опубликовано в российских журналах («Прикладная химия», «Трение и износ»), выпущена монография. Но лучшая идея пришла несколько позднее – идея использования полиметаллоорганилсилоксанов в качестве присадки к маслам, а также в качестве модификатора слоистого силиката. С этим классом элементоорганических соединений наша группа при кафедре общей, неорганической и элементоорганической химии проводит фундаментальные исследования около 50-ти лет. Но идея их использования реализована только в последние годы, когда мы смогли доказать слоистую природу этих соединений (результаты были опубликованы в журнале Мolecular structure). Главное преимущество использования этих соединений – они легко и гладко совмещаются с вермикулитом за счёт близкой природы модификатора и носителя (вермикулита)».

Лабораторные исследования по созданию новых композиционных материалов (которые в общей сложности длятся уже около 5 лет), проводились научным коллективом на базе двух учреждений. Так, в Школе естественных наук Химического кластера университета (ДВФУ) Ирина Хальченко синтезировала образцы, а Валерий Разов исследовал материалы методом позитронной аннигиляционной спектроскопии, которая дает информацию о структуре и дефектности вещества. В Инженерной школе профессор Леонид Леонтьев изучал трибологические свойства (как снижается трение). В университете также проводили позитронную и электронную спектроскопию, то есть смотрели дефекты полученных материалов и их структуру на наличие пор. Предметный анализ, определение химического состава, запись рентгенограммы – провел Александр Панасенко в Институте химии РАН.

Перед научной командой стояли 2 задачи: практическая - создать материал, который способствует уменьшению трения в механизмах движущихся деталей, и теоретическая - выяснить механизм того, как именно эти силикаты уменьшают трение и как именно они работают. Говорит участник проекта Александр Панасенко: «В теоретической части мы брали вермикулит – это природный силикат, модифицировали его чистой целлюлозой как модельную систему, для того чтобы разобраться с механизмам и для того чтобы разобраться, что происходит с вермикулитом при его модификации. Уже потом, когда перешли к практической части взяли минерал нонтронит. Его модифицировали щелочным гидролизатом, а затем продуктом, который является, с одной что стороны, отходом переработки, а с другой, может быть полезен для получения новых материалов».

Почему же у исследователей интерес вызвали именно эти природные силикаты? «Прежде всего, из-за их доступности и достаточно известной структуры. И тот и другой алюмосиликат имеется в Приморском крае в промышленных количествах и стоимость их невысока, - объясняет Николай Шапкин - С другой стороны эти природные силикаты имеют слоистую структуру, впрочем, также как каолинит, бентонит, иллит, муллит, серпентинит. Но работ с вермикулитом данного месторождения было достаточно немного, когда мы начали его использовать. Слоистые силикаты были исследованы достаточно давно и широко используются. Однако применение вермикулита как твёрдой смазки в качестве присадки было исследовано незначительно, тем более его модифицированных форм. Была проведена модификация с помощью кислоты, и было показано, что поверхность при этом увеличивается в 100 раз и происходит полная эксфолиация (расщепление, отслаивание). В то время как введение полисахаридов (целлюлоза, хитозан), а также полимеров (полистирол, резорцино-формальдегидная смола) к обработанному кислотой вермикулиту приводит к появлению новой структуры. Это было впервые нами отмечено. Что же касается нонтронита, то он является известным природным минералом, производным монтмориллонита, в структуре которого атомы алюминия замещены атомами железа. При извлечении атомов железа кислотой изменяются природа поверхности и адсорбционные свойства нонтронита».

Известно, что трение между трущимися поверхностями понижают слоистые вещества, вещества со слоистой кристаллической структурой. «Например, очень известен и широко используется сульфид молибдена, который обладает такой слоистой структурой, которая под внешним механическим давлением расслаивается, и тем самым, снижает трение, - привел пример старший научный сотрудник Института химии Панасенко, а затем раскрыл в чем это отличие - Основываясь на этом принципе, мы взяли эти минералы - алюмосиликаты, у которых была аналогичная слоистая структура. И было логично предположить, что она поведет себя сходным образом и также будет уменьшать трение, как в случае с сульфидом молибдена. Но здесь оказался более интересный механизм. Алюмосиликаты не просто расслаиваются под действием механической нагрузки, но и на молекулярном уровне взаимодействуют с поверхностью металлов, тем самым её модифицируют. То есть они встраиваются в поверхность металлов и образуют металлокерамическую пленку, которая намного превосходит по твердости сам металл. В результате, поверхность меньше подвержена износу, чем просто чистый металл. Вот такое преимущество наших материалов. Под высокими нагрузками они не просто работают как антифрикционная добавка, но и как модификатор поверхности».

В будущих исследованиях химики собираются синтезировать композиционные материалы на основе и других природных силикатов. «Есть план попробовать разные материалы. Уже есть образцы из Приморского края, из Карелии, Китая, планируем из Вьетнама и будем их сравнивать между собой. Это касается природных алюмосиликатов. Если получится, в этот же ряд включим синтетические алюмосиликаты, полученные искусственно, чтобы посмотреть, что лучше», - сказал Александр Панасенко.

Тем не менее, как заверил профессор Шапкин, «на основе вермикулита уже получены магнитные сорбенты, преимущество которых в лёгкости извлечения этих сорбентов из растворов. Были проведены исследования сорбции ионов в магнитном поле. Наиболее актуальным является использование модифицированных вермикулитов для аналитического определения антибиотиков и очистки сточных вод предприятий от антибиотиков. Эти работы позволяют определить новые области применения композитов для очистки фармакологических препаратов. Совершенно отдельно стоят фундаментальные исследования по созданию керамических мембран на основе природных силикатов. Эти мембраны позволяют разделять ионы тяжёлых и лёгких металлов, очищать растворы от коллоидных частиц, что также перспективно для их использования в фармакологии. Фундаментальные и прикладные исследования модифицированного вермикулита, нонтронита, каолинита будут продолжаться, так как их потенциал огромен».

Полученные гибридные образцы специалисты изучали тремя методами: при помощи РФА (рентгенофазовый анализ), ИК (инфракрасная спектроскопия) и методом позитронной спектроскопии. Первые два являются базовыми и должны быть в любой химической работе, в частности, когда речь идет о новых веществах, соединениях или материалах. Третий метод не такой распространенный, но важен для прогнозирования механических и физико-химических свойств вещества. Как они работают, пояснил Александр Панасенко: «В РФА принцип очень простой. На вещество светим рентгеновским лучом и за счет того, что вещество обладает кристаллической структурой, на кристаллической решетке происходит дифракция рентгеновских лучей. То есть часть лучей проходит сквозь вещества, просвечивает, а часть отражается под разными углами. Мы фиксируем эти углы и можем рассчитывать параметры кристаллической решетки. У каждого вещества набор этих отражений индивидуален. Он как отпечаток пальца... При ИК сквозь вещество пропускается луч в ультракрасном диапазоне и фиксируется поглощение в инфракрасном спектре, которое зависит от наличия функциональных групп…Глядя на спектр, мы можем сказать, из каких групп состоит наш материал. Третий метод основан на том, что на вещество подается пучок позитронов. Когда позитрон встречается с электроном, он аннигилирует. То есть они исчезают, и испускается контризлучение. Это излучение можно зафиксировать. Время, через которое произошла аннигиляция, произошло излучение кванта, можно сказать, какой путь преодолел позитрон внутри вещества. Если вещество пористое, в нем много дефектов, пор и пустот, то путь позитрона будет дольше. Если вещество плотное бездефектное - путь будет короче. Рассматривая временной аспект излучения, мы можем говорить о том, насколько много дефектов в веществе, какого они размера, какого объема. Насколько легко вещество будет расслаиваться в нашем случае».

Результаты экспериментов дальневосточных химиков обнародованы в журнале «Неорганические материалы» и его англоязычной версии «Inorganic Materials» (2018, вып.9). Однако это лишь определенная часть большого исследования. Как заметил участник группы Александр Панасенко: «Скорее, это такая разведывательная работа. В дальнейшем, мы планируем варьировать условия, подбирать более точный состав материалов, условия их получения, условия их термической обработки, которые позволят сделать их более эффективными для снижения трения».

Следующий этап в изучении гибридных материалов на основе вермикулита и нонтронита, по мнению руководителя группы Шапкина, «поиск новых методов и веществ для модифицирования слоистых силикатов (вермикулит, нонтронит, каолинит). Уже сейчас разработаны методы модифицирования вермикулита отходами полиэтилена. Такой сорбент относительно недорог и эффективен для сбора нефти при разливах и очистке льяльных сточных вод. Кроме того при модифицировании вермикулита ферроцианидом меди был получен сорбент с исключительно высоким коэффициентом разделения порядка 6,5 ∙ 105 см3/г и ёмкостью превосходящей в три раза самые эффективные сорбенты. Необходимо отметить, что в нашей группе ведутся работы по получению эффективных сорбентов к радионуклидам, а также новых металлкремнийорганических нанокомпозитов на основе дендримеров и гиперразветвлённых полимеров, которые будут использованы при получении новых присадок к машинным маслам».

На фото Александр Панасенко

антифрикционные материалы вермикулит нонтронит природные слоистые силикаты

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.