Исследование свойств нанокомпозитов на основе термообработанного полиакрилонитрила (обзор)

Органические полупроводники и новые углеродные формы (фуллерен, углеродная трубка, графен, углеродная пена) способствовали синтезу углеродных нанокомпозитов с модифицированными свойствами на основе термообработанного полиакрилонитрила (ТПАН), содержащих искривленные углеродные плоскости (сферические, кольцо- и тубуленоподобные образования). В работе представлен обзор исследований свойств нанокомпозитов на основе ТПАН. Проанализированы особенности метода ИК-облучения с синергетическим эффектом и механизм превращения полиакрилонитрила в углеродный нанокристаллический материал (УНМ). Метод ИК-облучения перспективен для синтеза биосовместимого УНМ с высокой чувствительностью к рН среды, металлополимерных нанокомпозитов (Ag/ТПАН, Cu/ТПАН, Fe₃O₄/ТПАН), которые можно использовать в электронике, катализе, очистке воды от тяжелых металлов и др., а также люминесцентных углеродных наноструктур. Полученные результаты могут быть использованы при синтезе новых нанокомпозитов с модифицированными свойствами на основе ТПАН.

1. Makio Naito, Toyokazu Yokoyama, Kouhei Hosokawa, Kiyoshi Nogi. Nanoparticle Technology Handbook. — Elsevier, 2018. — 904 p.

2. Raz Jelinek. Nanoparticles. — De Gruyter, 2015 — 283 p. DOI: 10.1515/9783110330038

3. Щука А. А. Наноэлектроника. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015. — 342 с.

4. Андриевский Р. А. Основы наноструктурного материаловедения. Возможности и проблемы. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2020. — 255 с.

5. Раков Э. Г. Неорганические наноматериалы. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2020. — 480 с.

6. Помогайло А. Д., Розенберг А. С., Уфлянд И. Е. Наночастицы металлов в полимерах. — М.: Химия, 2000. — 672 с.

7. Nguyen T. K. Thanh. Magnetic Nanoparticles. — Boca Raton, 2012 — 616 p. DOI: 10.1201/b11760

8. Maneesha Pande, Ashok N. Bhaskarwar. Nanoparticles. Preparation and Characterization. — Momentum Press, 2016. — 206 p.

9. Кожитов Л. В., Емельянов С. Г., Косушкин В. Г., Стрельченко С. С., Пархоменко Ю. Н., Козлов В. В. Технология материалов микро- и наноэлектроники. — Курск: ЮЗГУ, 2012. — 862 с.

10. Козлов В. В., Горичев И. Г., Петров В. С., Лайнер Ю. А. Моделирование кинетики процессов при синтезе нанокомпозита Cu/C / Химическая технология. 2008. № 11. С. 556–559.

11. Новоторцев В. М., Козлов В. В., Королев Ю. М., Карпачева Г. П., Кожитов Л. В. Образование наночастиц нового метастабильного соединения меди в гетерогенной системе гидрат ацетата меди/полиакрилонитрил / Журнал неорганической химии. 2008. Т. 53. № 7. С. 1087–1089.

12. Козлов В. В., Кожитов Л. В., Крапухин В. В., Запороцкова И. В., Давлетова О. А., Муратов Д. Г. Протонная проводимость углеродных наноструктур на основе пиролизованного полиакрилонитрила и ее практическое применение / Известия вузов. Материалы электронной техники. 2008. № 1. C. 59–64.

13. Калашник А. Т., Смирнова Т. Н., Чернова О. П., Козлов В. В. Свойства и структура полиакрильных волокон / Высокомолек. соед. А. 2010. Т. 52. № 11. С. 2038–2043.

14. Кожитов Л. В., Козлов В. В., Костикова А. В. Новые металлоуглеродные нанокомпозиты и углеродный нанокристаллический материал с перспективными свойствами для развития электроники / Известия вузов. Материалы электронной техники. 2012. № 3. С. 59–67. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.01.104

15. Zemtsov L. M., Karpacheva G. P., Efimov O. N., Kozlov V. V., Bagdasarova K. A., Muratov D. G. Structure and Properties of Infra-Red-Irradiated Polyacrylonitrile and Its Composites / Chemine Technologija. 2005. N 1(35). P. 25–28.

16. Vasilev A., Efimov M., Bondarenko G., Kozlov V., Dzidziguri E., Karpacheva G. Thermal behavior of chitosan as a carbon material precursor under IR radiation / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 693. 012002. DOI: 10.1088/1757-899X/693/1/012002

17. Табаров Ф. С., Астахов М. В., Калашник А. Т., Климонт А. А., Козлов В. В., Галимзянов Р. Р. Активация углеродных нановолокон и их применение в качестве электродных материалов для суперконденсаторов / Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 9. С. 1188–1196. DOI: 10.1134/S0044461819090123

18. Вьет Н. Х., Костикова А. В., Козлов В. В. Стабильность химической наноструктуры термообработанного полиакрилонитрила при ИК-нагреве / Наноматериалы и наноструктуры. 2015. Т. 6. № 1. С. 20–24.

19. Вьет Н. Х., Зорин С. М., Козлов В. В., Тхыон Н. К. Исследование процессов окисления полиакрилонитрила под действием ИК-нагрева / Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. № 2. С. 57–61.

20. Kozitov L. V., V’et N. Ch., Kozlov V. V. The structure and content peculiarities of carbon material obtained under the polyacrylonitrile infra-red heating / Journal of Nano- and Electronic Physics. 2013. Vol. 5. N 4. 04020-1 – 04020-3.

21. Kozhitov L. V., Kostikova A. V., Kozlov V. V., Bulatov M. F. The FeNi3/C Nanocomposite Formation from the Composite of Fe and Ni Salts and Polyacrylonitrile under IR-Heating / J. Nanoelectron. Optoelectron. 2012. Vol. 7. N 4. P. 419–422. DOI: 10.1166/jno.2012.1322

22. Кожитов Л. В., Костикова А. В., Козлов В. В., Тарала В. А. Структурные особенности нанокомпозита FeNi3/C, полученного при ИК-нагреве / Известия вузов. Материалы электронной техники. 2012. № 2. С. 61–64. DOI: 10.17073/1609-3577-2012-2-61-64

23. Morris E. A., Weisenberger M. C., Abdallah M. G., et al. High performance carbon fibers from very high molecular weight polyacrylonitrile precursors / Carbon. 2016. Vol. 101. P. 245–252. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.01.104

24. Казарян С. А., Стародубцев Н. Ф. Исследование оптических и люминесцентных свойств углеродных наночастиц методом микрофотолюминесценции / Перспективные материалы. 2019. № 8. С. 5–21. DOI: 10.30791/1028-978X-2019-8-5-21

25. Ghorpade R. V., Cho D. W., Hong S. С. Effect of controlled tacticity of polyacrylonitrile (co)polymers on their thermal oxidative stabilization behaviors and the properties of resulting carbon films / Carbon. 2017. Vol. 121. P. 502–511. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.06.015

26. Zhao R., Sun P., Liu R., Ding Z. Influence of heating procedures on the surface structure of stabilized polyacrylonitrile fibers / Applied Surface Science. 2018. Vol. 433. P. 321–328. DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.09.252

27. Sha Y., Liu W., Li1 Y., Cao W. Formation Mechanism of Skin-Core Chemical Structure within Stabilized Polyacrylonitrile Monofilaments / Nanoscale Research Letters. 2019. Vol. 14. P. 1–7. DOI: 10.1186/s11671-019-2926-x

28. Szepcsika B., Pukanszkya B. The mechanism of thermal stabilization of polyacrylonitrile / Thermochimica Acta. 2019. Vol. 671. P. 200–208. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2007.03.023

29. Nunna S., Naebe M., Hameed N., Creighton C., Naghashian S., Jennings M., Atkiss S., Setty M., Fox B. Investigation of progress of reactions and evolution of radial heterogeneity in the initial stage of thermal stabilization of PAN precursor fibres / Polym. Degrad. Stab. 2016. Vol. 125. P. 105–114. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2016.01.008

30. Takuya Tsuzuki. Mechanochemical synthesis of nanoparticles. — Elsevier, 2022. — 204 p. DOI: 10.1016/B978-0-12-822425-0.00058-0

31. Shilpi Srivastava, Atul Bhargava. Green Synthesis of Nanoparticles. — Springer, 2022. — 75 p. DOI: 10.1007/978-981-16-7106-7_4

32. Neelu Chouhan. Silver Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Applications. — IntechOpen, 2018. — 288 p. DOI: 10.5772/intechopen.75611

33. Mohammad Javed Ansari, Mustafa M. Kadhim, Baydaa Abed Hussein, Holya A. Lafta, Ehsan Kianfar. Synthesis and Stability of Magnetic Nanoparticles / BioNanoSci. 2022. DOI: 10.1007/s12668-022-00947-5

34. Efimov A. A., Arsenov P. V. , Borisov V. I., et al. Synthesis of Nanoparticles by Spark Discharge as a Facile and Versatile Technique of Preparing Highly Conductive Pt Nano-Ink for Printed Electronics / Nanomaterials. 2021. Vol. 11. N 1. 234. DOI: 10.3390/nano11010234

35. Шабанова Н. А., Саркисов П. Д. Золь-гель технологии. Нанодисперсный кремнезем. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015. — 328 с.

36. Uma Shanker, Chaudhery Hussain, Manviri Rani. Green Functionalized Nanomaterials for Environmental Applications. — Elsevier, 2021. — 603 p. DOI: 10.1016/C2019-0-04822-4

37. Ramiro Muñiz-Diaz, Sagrario Yadira Gutiérrez de la Rosa, Óscar Gutiérrez Coronado, Rita Patakfalvi. Biogenic synthesis of platinum nanoparticles / Chem. Pap. 2022. DOI: 10.1007/s11696-021-01970-8

38. Belete Asefa Aragaw, Melisew Tadele Alula, Stephen Majoni, Cecil K. King’ondu. Chemical synthesis of silver nanoparticles. — Elsevier, 2022. — 53 p. DOI: 10.1016/B978-0-12-824508-8.00017-4

39. Kangkana Banerjee, Ravishankar Rai Vittal. Silver nanoparticles synthesis mechanisms. — Elsevier, 2022. — 625 p. DOI: 10.1016/B978-0-12-824508-8.00025-3

40. Ibticem Ayadi, Foued Ben Ayed. Mechanical optimization of the composite biomaterial based on the tricalcium phosphate, titania and magnesium fluoride / Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016. Vol. 60. P. 568 – 580. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.03.020

41. Raz Jelinek. Nanoparticles. — De Gruyter, 2015 — 283 p. DOI: 10.1515/9783110330038

42. Jeevanandam J., Barhoum A., Chan Y., Dufresne A., Danquah M. Review on nanoparticles and nanostructured materials: history, sources, toxicity and regulations / Beilstein J. Nanotechnol. 2018. N 9. P. 1050–1074. DOI: 10.3762/bjnano.9.98

43. Maenosomo S., Okubo T., Yamaguchi Y. Overview of nanoparticle array formation by wet coating / J. of Nanoparticle Research. 2003. Vol. 5. P. 5–15. DOI: 10.1023/A:1024418931756

44. Malik H., Qureshi U., Muqeet M., Mahar R., Ahmed F., Khatri Z. Removal of lead from aqueous solution using polyacrylonitrile/magnetite nanofibers / Environmental Science and Pollution Research. 2018. Vol. 25. P. 3557–3564. DOI: 10.1007/s11356-017-0706-7

45. Силиньш Э. А., Эйдус Я. А. Каталитическое воздействие ИК-излучения на химические превращения / Кинетика и катализ. 1970. Т. XI. Вып. 3. С. 555-560.

46. Козлов В. В., Королев Ю. М., Карпачева Г. П. Структурные превращения композита на основе полиакрилонитрила и фуллерена C60 под воздействием ИК-излучения / Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. № 5. С. 836–840.

47. Козлов В. В., Годаев Б. С., Коровушкин В. В., Карпачева Г. П., Васильев А. А., Дуров Н. М. О синтезе нанокомпозита Fe3O4/C на основе полиакрилонитрила и FeCl2 • 4H2O при термообработке на воздухе / EESJ East european scientific journal (Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe). 2018. Part 1. N 7(35). P. 57–62.

48. Козлов В. В., Васильев А. А., Горичев И. Г., Калашник А. Т., Костишин В. Г., Табаров Ф. С., Годаев Б. С., Ситнов М. А. Исследование свойств стабилизированного термообработанного полиакрилонитрила на воздухе / Завод. лаб. Диагност. мат. 2021. Т. 87. № 7. С. 30–37. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-7-30-37

49. Zhuravleva T. S., Kovalenko S. A., Lozovik Yu. E., Matveets Yu. A., Farztdinov V. M., Dobryakov A. L., Nazarenko A. V., Zemtsov L. M., Kozlov V. V., Karpacheva G. P. Ultrafast Optical Response of IR Treated Polyacrylonitrile Films / Polymers for advanced technologies. 1998. Vol. 9. N 10–11. P. 613–618. DOI: 10/11<613::AID-PAT825>3.0.CO;2-J

50. Moore J., Lochner E., Ramsey C., Dalal N., Stiegman A. Transparent, Superparamagnetic [FeIII(CN)6]-Silica Nanocomposites with Tunable Photomagnetism / Angew. Chem. Int. Ed. 2003. Vol. 42. N 24. P. 2741–2743. DOI: 10.1002/anie.200250409