Химия и химические технологии, 1.

Буря А.И., Наконечная Н.И.

Днепропетровский государственный аграрный университет

Применение углеродных нанотрубок

в полимерных композициях

Сейчас с уверенностью можно утверждать, что одним из наиболее перспективных, а также многообещающих направлений развития современной науки является нанотехнология. Одной же из ее интереснейших областей является разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов. Их создание базируется на фундаментальных исследованиях физико-химических процессов формирования материалов и эволюции их структуры, обеспечивающей широкий спектр функциональных свойств. В ряде работ убедительно показана эффективность использования в качестве модификаторов полимерной матрицы соединений различной химической природы, имеющих нанометровые размеры [1,2].

В последнее время как наполнитель часто используются углеродные нанотрубки (УНТ), являющие собой полые трубки, состоящие из свернутых слоев углерода. Они считаются идеальным армирующим материалом для полимеров, но для промышленного производства технология еще не готова, хотя для обеспечения равномерности распределения трубок в полимерной матрице подобраны поверхностно-активные вещества, предотвращающие образование агломератов [3].

Для получения полностью органических композитов полусопряженные органические полимеры смешивались с УНТ. При увеличении концентрации нанотрубок проводимость полученных композитов возрастала на 10 порядков, что свидетельствует об их перполяционном поведении [4].

Установлено, что добавка 1% нанотрубки по массе к полистиролу повышает соответственно модуль упругости и предел прочности материала на 36-42% и 25%[5].

Была также исследована возможность образования химических межфазных связей в композитах на основе полиэтилена (ПЭ) и УНТ с помощью квантовомеханического анализа. ПЭ-цепи представлены алкильными сегментами, УНТ моделировали сегментами с Н-атомами, присоединенными к колеблющимся, связанным по периметру углеродным атомам. Найдено, что ковалентное связывание между алкильными радикалами и нанотрубками является предпочтительным и что трубки меньшего диаметра имеют более прочные связи [6].

Композиционные материалы (КМ) на основе полипропилена, армированные различным количеством одностенных УНТ, были исследованы ДСК и рамановской спектроскопией для получения данных о взаимодействии нанотрубок с матрицей, а также о кинетике кристаллизации ПП, макроструктуре и расположении нанотрубок в КМ. Установлено, что нанотрубки являются центрами кристаллизации в ПП, которая нелинейно зависит от содержания нанотрубок. По данным рамановской спектроскопии кинетика кристаллизации пленок КМ влияет на расстояние между скоплениями нанотрубок [7].

Углеродные нанотрубки в полимерных матрицах оказывают большое влияние и на электропроводность, вязкость при сдвиге и другие транспортные свойства, являясь гибридами наполнителей и добавок наноразмеров и давая возможность получения "интеллектуальных" материалов, например, чувствительных к давлению выключателей. Было определено влияние одно- и многостенных углеродных нанотрубок на свойства полимерных материалов, в частности ПП [8].

Методом каталитической флотации при 1100-1200° были получены также многостеночные нанотрубки (МСНТ), являющие собой вложенные УНТ, то есть нанотрубка внутри нанотрубки. Источником углерода для их получения служил бензол, а в качестве катализатора использовали ферроцен. МСНТ имели наружный диаметр 20-50 нм, внутренний—10-30 нм и длину 50-1000 мкм. Для получения композитов МСНТ методом полимеризации in situ были инкапсулированы в полианилин (ПАНИ). Взаимодействие между ПАНИ и МСНТ исследовали методом ИКС с фурье-преобразованием. Изменение размеров композитов контролировали методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, термическую стабильность оценивали методами ТГА и дифракции рентгеновских лучей [9].

Были изучены также композиты на основе стиролбутадиенового каучука. Перед применением в композите МСНТ были модифицированы нагреванием в 67% HNO₃. Потом их смешивали в открытом смесителе со стиролбутадиеновым каучуком (СБК). Установлено, что разрывная прочность композита увеличивается с ростом содержания МСНТ. Твердость по Шору составляла 58, сила раздира - 25,9 кН/м, абразивный износ - 0,22 мл/1,61 км [10].

Результаты по изучению свойств УНТ показали целесообразность использования их для наполнения полимерных матриц разных видов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соедине-ниями. – Якутск: ЯФ изд-ва Наука, 2003. – 224 с.

2. Булдык Е.П., Ревяко М.М. // Докл. НАН Беларуси. – 1999. – 43, № 5. – С. 119 – 127.

3. Характеристики границы раздела композитов нанотрубка/полимер. Lau Kin-tak. Chem. Phys. Lett. 2003. 370, № 3-4, с 399-405, 5 ил. Библ. 30. Англ.

4. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения: Издательство Воронежского государственного университета,2000.-360с.

5. Улучшение физических характеристик сопряженных полимеров с углеродными нанотрубками. Coleman J. N., Curran S., Dalton А. В., Davey A. P., Me Carthy В., Blau W., Barklie R. С Synth. Metals. 1999. 102, №1-3, с. 1174-1175. Англ.

6. Химические связи в композитах полиэтилен - нанотрубки: квантовомеханическое предсказание. Mylvaga-nam K., Zhang L. С J. Phys. Chem. B. 2004. 108, № 17, с 5217-5220, 6 ил. Библ. 30. Англ.

7. An K.H., Jeon K.K., Moon J.-M., Eum S.J., Yang C.W., Park G.S., Park С Y., Lee Y. H. Transformation of singlewalled carbon nanotubes to multiwalled carbon nanotubes and onion-like structures by nitric acid treatment. Synth. Metals.2004.140.№1, с. 1-8.

8. Морфологические характеристики композиционных материалов на основе полипропилена и одностенных углеродных нанотрубок: Докл. [Symposium N "Nano- and Micro-Composite" of E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, June 18-21, 2002]. Valentini L., Biagiotti J., Kenny J. M., Santucci S. Compos. Sci. and Technol. 2003. 63, № 8, с 1149-1153. Англ.

9. Zeng Xian-wei, Zhao Dong-lin. Tansu jishu Получение композитов углеродные нанотрубки/полианилин методом полимеризации in situ и механизм их образования. Carbon Techn. 2004, №4, c. 15-19.

10. Композиты на основе многостеночных углеродных нанотрубок и стиролбутадиеновых каучуков. Chen Xiao-hong, Song Buai-he. Xinxing tan cailiao-New Carbon Mater. 2004. 19, № 3, с 214-218, 4 ил. Библ. 19. Кит.; рез. англ.