Новый подход к получению аэрогелей на основе резорцин-формальдегидных смол с регулируемой пористостью и высокой механической прочностью разработал коллектив ученых из российских научных институтов, сообщает 27 октября пресс-служба Российского научного фонда.

Полученные специалистами из Института физиологически активных веществ РАН, Института общей и неорганической химии (ИОНХ) им. Н. С. Курнакова РАН, Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, НИЦ КИ — Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова (ПИЯФ) и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) результаты исследований могут быть использованы для создания высокоэффективных звуко- и теплоизоляционных материалов и сорбентов.

Свои результаты команда ученых представила в статье «Значительное влияние выбора растворителя для гелеобразования на структуру и механические свойства резорциноформальдегидных аэрогелей», опубликованной в Journal of Porous Materials.

Структура аэрогелей, уникального класса современных материалов, представляет собой легкую ажурную сетку соединенных друг с другом наночастиц. Причем такой гель содержит менее 1% наночастиц в единице объема, то есть справедливо утверждать, что аэрогели практически целиком состоят из воздуха.

Поэтому они почти невесомы, но имеют прекрасные звуко- и теплоизоляционные свойства. Наиболее часто применяются аэрогели из оксида кремния — это они стали сетью для улавливания частичек комет в рамках проекта NASA Stardust («Звездная пыль»).

Однако у аэрогелей из оксида кремния и некоторых других оксидов металлов, очень низкая механическая прочность — они могут рассыпаться от легкого прикосновения.

Тем не менее создавать аэрогели можно и из наночастиц полимеров. Так, известны аэрогели из целлюлозы, полиэтилена, хитина (из которого состоит экзоскелет насекомых) и кевлара.

Впервые полимерные аэрогели более 30 лет назад были получены из фенол-альдегидных смол (из них еще изготавливают вилки электрошнуров), а именно — из резорцин-формальдегидных смол.

Фенол-альдегидные смолы прочны, коррозионно-устойчивы и обладают высокими электроизоляционными свойствами. Кроме того, высокопористые фенол-альдегидные смолы, кроме строительства, которое использует их в качестве прочного звуко- и теплоизоляционного материала, используются также в химическом производстве как сорбенты, подложки для катализаторов, элементы газовых сенсоров.

Рассматривается возможность изготовления на их основе высокопористых углеродных материалов для использования в высокоемких электрических аккумуляторах.

Авторы статьи представили в ней разработанный ими метод синтеза прочных высокопористых полимерных смол для получения функциональных материалов.

Один из авторов статьи, заведующий Лабораторией синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, кандидат химических наук Александр Баранчиков рассказал:

«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».

Типовым методом получения резорцин-формальдегидных гелей является поликонденсация резорцина и формальдегида в присутствии катализаторов, которыми выступают кислоты или основания, а растворителем служит или вода или ацетонитрил.

При этом роль растворителя в синтезе резорцин-формальдегидных гелей и аэрогелей ранее изучена не была.

Исследователи применили в этой реакции очень доступные органические растворители — ацетонитрил и диметилсульфоксид, сильно различающиеся по своей способности связывать протоны, которые катализируют взаимодействие резорцина и формальдегида, а последующую сушку производили в CO₂.

Полученный результат продемонстрировал, что тип растворителя существенно влияет на структуру и свойства аэрогелей, такие как удельная площадь поверхности, пористость, плотность и механическая прочность.

Так, используя диметилсульфоксид, удалось получить полимерный аэрогель, удельная поверхность которого составляла около 200 м²/г, а прочность на сжатие — около 30 МПа.

При этом, уступая по прочности конструкционным сталям, тем не менее столбик из такого материала радиусом всего 1 см и массой 1 грамм выдерживает вес современного мотоцикла.

Анализ полученных аэрогелей был проведен в лабораториях ОИЯИ и ПИЯФ. В результате было установлено, что они обладают очень необычной структурой, описать которую можно, используя подходы фрактальной геометрии.

В последнее время высокопористые фрактальные полимеры вызывают особо пристальное внимание специалистов с точки зрения детального анализа механизмов реакций образования высокомолекулярных систем.

В заключение Александр Баранчиков отметил: «Наша работа продемонстрировала, что использование базовых химических знаний может существенно расширить возможности синтетических приемов, используемых для получения перспективных конструкционных и функциональных материалов».