Российские ученые предложили новый способ получения прочных полимерных аэрогелей

Коллектив ученых из Института физиологически активных веществ РАН (ИФАВ, с августа входит в ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии), 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. Полученные результаты перспективны для создания высокоэффективных звуко- и теплоизоляционных материалов и сорбентов. Работа поддержана Российским научным фондом. Результаты исследований 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.

«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.