· Применение · Токсическое действие · Близкие статьи · Комментарии · Примечания · Литература · Официальный сайт ·

Схемы строения различных модификаций углерода
a : алмаз, b : графит, c : лонсдейлит
d : фуллерен - бакибол C 60 , e : фуллерен C 540 , f : фуллерен C 70
g : аморфный углерод, h : углеродная нанотрубка

Подробнее: Аллотропия углерода

Кристаллический углерод

алмаз
Графен
графит
Карбин
лонсдейлит
Наноалмаз
Фуллерены
Фуллерит
Углеродное волокно
Углеродные нановолокна
Углеродные нанотрубки

Аморфный углерод

Активированный уголь
Древесный уголь
Ископаемый уголь: антрацит и др.
Кокс каменноугольный, нефтяной и др.
Стеклоуглерод
Техуглерод
Углеродная нанопена

На практике, обычно, перечисленные выше аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода.

Кластерные формы

Астралены
Диуглерод
Углеродные наноконусы

Структура

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, исходя из степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трёх p-электронов (sp 3 -гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными -связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, к примеру, в метане и других углеводородах.
тригональная, образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp 2 -гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные -связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости -связей, используется для образования -связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация). Помимо этого два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают -связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию - Карбин.

В 2010 году сотрудиники университета Ноттингема Стивен Лиддл и коллеги получили соединение (мономерный дилитио метандий), в котором четыре связи атома углерода находятся в одной плоскости. Ранее возможность «плоского углерода» была предсказана Паулем фон Шлейером для вещества , но оно не было синтезировано.

Графит и алмаз

Основные и хорошо изученные аллотропные модификации углерода - алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и прочие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается за секунды. Н 0 перехода - 1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3 780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графит-жидкость-пар Т = 4130 K, р = 10,7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11-12 ГПа.

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15-20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решёткой типа вюрцита - лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р6 3 /mmc ), плотность 3,51 г/см, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

В 1980-е гг. в СССР было найдено, что в условиях динамической нагрузки углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). Сегодня всё чаще используется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, к примеру смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Карбин

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется Карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (-CC-), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68-3,30 г/см). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно - окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl 4 в низкотемпературной плазме.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.

Карбин - линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60-х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение - в фотоэлементах.

Фуллерены и Углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С 60 , С 70 , C 80 , C 90 , C 100 и подобных (Фуллерены), и кроме этого графенов, нанотрубок и сложных структур - астраленов.

Аморфный углерод (строение)

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, Техуглерод, Сажа, активный уголь.

Графен

Подробнее: Графен

Графен (англ. graphene) - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

Углеродные нанотрубки известны своими уникальными механическими, электрическими и термическими свойствами, пригодными для широкого спектра применения в полимерах. Модуль Юнга 1000 ГПа и прочность на разрыв 60 ГПа были измерены на индивидуальной структуре. Эти показатели на несколько порядков превышают показатели обычных конструкционных пластмасс. Высокая электропроводность и теплопроводность были также установлены экспериментальным путем, при этом их величины приближались или превышали показатели металлов. Такое сочетание свойств и формы продукта, совместимое с современными технологиями переработки полимеров, обеспечивает создание новых конструкционных материалов.

Коммерческое применение
Использование углеродных нанотрубок для придания полимерам антистатических и проводящих свойств является на сегодняшний день коммерческой практикой и распространяется в таких отраслях, как электроника и автомобильная промышленность. На рисунке 1 представлено стандартное изображение проводимости конструкционного термопласта. Наполнение для достижения пропускания электричества в случае с многостенными углеродными нанотрубками может быть в 5-10 раз ниже, чем для проводящего технического углерода. Аналогичные сравнения проводятся в термоотверждаемых смолах, например, эпоксидных, но при значительно более низком наполнении. Этот феномен можно объяснить теорией перколяции (просачивания): путь для потока электронов создается, когда частицы находятся очень близко друг к другу или достигли порога перколяции. Волокнистые структуры с высоким коэффициентом отношения (длина/диаметр) увеличивают количество электрических контактов и обеспечивают более однородный путь. Геометрический коэффициент отношения углеводородных нанотрубок в конечном продукте (например, частях, изготовленных литьем под давлением) обычно превосходит 100 по сравнению с короткими углеродными волокнами (<30) и техническим углеродом (>1). Это объясняет более низкую дозировку, необходимую для заданного удельного сопротивления. Перколяционное поведение может варьироваться в зависимости от типа смолы, вязкости и метода переработки полимеров.

Рис. 1. Зависимости электропроводности от содержания углеродных наполнителей: углеродных нанотрубок, высоко проводящей углеродной сажи, стандартного технического углерода.

Сниженное содержание наполнителя может предоставить несколько преимуществ, таких как улучшенная способность к переработке, внешний вид поверхности, сниженное оплывание, повышенная способность удержания механических свойств исходного полимера. Эти преимущества обеспечили ввод многостенных углеродных нанотрубок в способы применения проводящих полимеров, таблица 1. В указанных способах применения они могут конкурировать с такими добавками, как высоко проводящий технический углерод и углеродные волокна, по соотношению стоимость/технические характеристики или на основе уникальных характеристик, которые невозможно достичь или подобрать для спецификаций продуктов.

Таблица 1. Коммерческое применение проводящих полимеров с многостенными углеродными нанотрубками.

Рынок	Применение	Свойства составов на основе углеродных нанотрубок
Автомобили	Детали топливной системы и топливопроводы (соединители, детали насоса, уплотнительные кольца, трубки), внешние кузовные детали для электроокраски (бамперы, корпуса зеркал, крышки топливных баков)	Улучшенный баланс свойств по сравнению с техническим углеродом, способность к переработке для крупных частей, устойчивость к деформации
Электроника	Технологические инструменты и оборудование, кассеты для полупроводниковых пластин, конвейерные ленты, объединительные блоки, оборудование для чистых комнат	Повышенная чистота смесей по сравнению с углеродными волокнами, контроль удельного сопротивления поверхности, способность к обработке для отливки тонких частей, устойчивость к деформации, сбалансированность свойств, альтернативные возможности пластмассовых смесей по сравнению с углеродными волоконами

Включение многостенных углеродных нанотрубок в пластмассы или эластомеры основано на относительно стандартных устройствах, применяемых в резиновых смесях и термопластах, например, экструдеры с тонкими шнеками и закрытые резиносмесители. Многостенные углеродные нанотрубки производства Nanocyl могут поставляться в форме порошка (Nanocyl® 7000) или термопластических концентратов (PlastiCyl™).

Применение композиционных материалов конструкционного назначения
Исключительная прочность углеродных нанотрубок имеет выгодное применение для создания различных видов спортивных товаров на основе композитных материалов из углеродных волокон и эпоксидных смол. Для упрощения включения и улучшения соединения со связующей фазой (например, эпоксидная смола или полиуретан) углеродные нанотрубки обычно химически модифицируются на поверхности. Стандартное усовершенствование, измеренное на армированном волокнами композиционном материале, составляет от 10 до 50% по прочности и динамической нагрузке. Такой уровень усиления может иметь существенное значение для данного композиционного материала, обычно ограниченного свойствами смолы.

Новые разработки
Сеть исключительно тонких проводящих структур, таких как углеродные нанотрубки, также предоставляет новые возможности в тонкопленочной технологии, включая антистатические прозрачные и проводящие покрытия с постоянной проводимостью, улучшенные механические свойства и повышенную стойкость к химическим воздействиям. В настоящее время разрабатываются технологии высокопроводящих прозрачных пленок, которые в ближайшем будущем смогут конкурировать с технологиями использования оксидов металлов, такими как технология напыления оксида индия и олова, применяемая сегодня для изготовления прозрачных электродов в плоскопанельных дисплеях и более ограниченных конструкциях, например, гибких дисплеях.
Разработана современная технология производства бумаги с применением многостенных углеродных нанотрубок. Такая бумага используется для создания более гибкого теплозащитного покрытия для защиты автомобильных зеркал от обледенения, подогрева полов и других нагревательных устройств.
Проводятся исследования новых свойств, получаемых при незначительной добавке многостенных углеродных нанотрубок в полимеры, например, огнестойкости и противогнилостности, которые могут привести к разработке новых продуктов, более соответствующих современным экологическим требованиям и обладающих улучшенными эксплуатационными качествами по сравнению с существующими материалами, при условии экономии.

Армированные эластомеры
Технический углерод и другие порошковые наполнители имеют широкое применение для армирования резины в шинах и другой промышленной резины. Состав может содержать высокий уровень загрузки наполнителями для повышения прочности и жесткости до необходимого уровня (более 50% массы), но при этом проявлять недостаток эластичности при некоторых видах применения. Замена на 5-10% наполнение многостенными углеродными нанотрубками, такими как Nanocyl® 7000, может обеспечить в высокоэффективных эластомерах аналогичный уровень прочности и жесткости при улучшенной эластичности, представляя новый баланс механических свойств, несравнимый с традиционными материалами.

Использование углеродных нанотрубок в коммерческих целях на сегодня является реальностью, что привлекает все большее внимание. Это означает, что они приняты промышленностью в качестве компонента добавленной стоимости, конкурирующего с другими вариантами, которые регулируется промышленными стандартами. В настоящее время ведется исследование новых полезных и непрогнозируемых свойств углеродных нанотрубок, которые позволят расширить их проникновение в отрасль полимеров.

Открытие бизнеса