Нанопет: история, свойства и применение¶

Нанопет (от греч. νᾶνος — «карлик» и англ. pet — сокращение от polyethylene terephthalate) — общее название группы нанокомпозитных и наноструктурированных материалов на основе полиэтилентерефталата (ПЭТ) и его аналогов, у которых хотя бы один компонент или структурный элемент имеет размеры в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Термин не является строго научным и закрепился преимущественно в прикладной литературе, патентной практике и отраслевой периодике для обозначения ПЭТ-материалов с модифицированной наноуровневой структурой: нанонаполнителями, нановолокнами, нанопористыми матрицами или нанесёнными нанопокрытиями. Такие материалы сочетают технологичность обычного полиэтилентерефталата с улучшенными механическими, барьерными, оптическими или функциональными характеристиками.

¶Общая характеристика

Полиэтилентерефталат — термопластичный полиэфир, получаемый поликонденсацией терефталевой кислоты (или её диметилового эфира) и этиленгликоля. Он широко применяется для производства волокон, плёнок, бутылок и упаковки. Введение наноразмерных добавок либо формирование наноструктур в объёме или на поверхности ПЭТ позволяет направленно изменять его свойства без существенного изменения химической природы полимера.

Ключевые признаки, по которым материал относят к категории «нанопет»:

• наличие фаз или частиц с размером менее 100 нм хотя бы в одном измерении;
• значительная удельная поверхность раздела фаз;
• эффекты, обусловленные наноразмерностью (квантовые, поверхностные, интерфейсные);
• сохранение перерабатываемости, характерной для базового полимера.

¶Классификация

По типу наноразмерного компонента выделяют несколько групп.

Отдельно рассматривают трековые мембраны на основе ПЭТ, получаемые облучением плёнки тяжёлыми ионами с последующим химическим травлением каналов, — их поры имеют контролируемый нанометровый диаметр.

¶Методы получения

Основные подходы к созданию наноструктурированного ПЭТ:

• Полимеризация in situ — синтез полимера в присутствии наночастиц, обеспечивающий их равномерное распределение.
• Смешение в расплаве — введение нанонаполнителей в расплав полимера с использованием экструзии; требует совместителей для предотвращения агрегации.
• Электроформование — получение нановолокон из раствора или расплава ПЭТ под действием электрического поля.
• Трековая технология — облучение плёнок ионами и последующее травление для формирования нанопор.
• Нанесение покрытий — магнетронное распыление, золь-гель метод, атомно-слойное осаждение.

¶Свойства

Модификация наноуровня влияет на комплекс характеристик:

• Механические — повышение модуля упругости и прочности при малых степенях наполнения (обычно 1–5 % масс.).
• Барьерные — снижение проницаемости для кислорода, углекислого газа и водяного пара, что важно для упаковки.
• Термические — рост температуры стеклования и термостойкости при введении наноглин.
• Оптические — прозрачность может сохраняться при малых концентрациях наночастиц; при больших — появляется рассеяние.
• Функциональные — антибактериальные, электропроводящие, фотокаталитические свойства при использовании соответствующих наночастиц (серебро, диоксид титана, углеродные нанотрубки).

¶Применение

Наноструктурированный ПЭТ находит применение в нескольких отраслях:

1. Упаковка — бутылки и плёнки с улучшенными барьерными свойствами для напитков и пищевых продуктов.
2. Медицина — трековые мембраны для фильтрации плазмы крови, матрицы для клеточных культур, антибактериальные покрытия.
3. Текстиль — нановолокнистые нетканые материалы для защитной одежды и фильтров.
4. Электроника — гибкие подложки с проводящими нанопокрытиями.
5. Экология — сорбенты и мембраны для очистки воды и воздуха.

¶Научные и прикладные аспекты

Исследования в области нанопет связаны с задачами равномерного распределения наночастиц, контроля межфазного взаимодействия и масштабирования технологий. Основные сложности — агрегация нанонаполнителей и удорожание производства. В научной литературе термин используется не всегда последовательно: часть авторов применяет его к любым наномодифицированным полиэфирам, другие — только к материалам с выраженной наноразмерной морфологией.

¶См. также

• Полиэтилентерефталат
• Нанокомпозиты
• Трековые мембраны
• Электроформование