10 июня 2017г.
Вступление.
Создание полимерных композитов открывает возможность существенно улучшить свойства полимерных материалов. Актуальным направлением в этой области является создание полимерных композитов на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Изучение полимерных композитов с участием углеродных нанотрубок начато вскоре после открытия этих трубок в 1991 г. Уникальная структура УНТ делает их обладателями несравнимых значений прочности при малом удельном весе. Такие свойства УНТ с учетом того, что их диаметр составляет всего несколько нанометров, а длина – от единиц до сотен микрон, обуславливают возможность создания композиционных материалов с высокими значениями электропроводности, расширенным интервалом рабочих температур и некоторыми специальными свойствами, в частности физико-механическими.
Создание таких композитов сопровождается рядом проблем, появляющихся на стадии введения УНТ в полимерную композицию. Для достижения максимальной эффективности от использования УНТ, как правило, необходимо их равномерное распределение в объеме полимера, а также высокая адгезия полимерной матрицы к поверхности нанотрубок. Однако вследствие большой удельной поверхности (до 1000 м2/г) УНТ склонны к образованию агломератов, т.е. к неравномерному распределению в полимере, а графеновая поверхность нанотрубки может образовывать лишь слабые Ван-дер-Ваальсовые связи с полимерной матрицей, поэтому высокая адгезия полимера к УНТ, как правило, не характерна. Наиболее перспективным путем для решения указанных выше проблем является функционализация УНТ – химические превращения, ведущие к образованию активных функциональных групп на поверхности нанотрубок. Функциональные группы на поверхности УНТ способны образовывать ковалентные связи с макромолекулами, что обеспечивает их равномерное распределение в объеме полимера и высокую адгезию последнего к нанотрубкам.
Целью работы является изучение физико-механических свойств полимерных композиций на основе углеродных нанотрубок функционализированных метилдиэтаноламином и триэтаноламином.
Экспериментальная часть
В работе использовали двухкомпонентную напылительную систему Elastoskin I 4649102, компонентом «А» в которой является полиол с активирующими добавками, компонентом «Б» - модифицированный 4,4'-дифенилметандиизоцианата (МДИ), нативные УНТ, функционализированные УНТ (фУНТ) метилдиэтаноламином и триэтаноламином.
Для приготовления полимерных композитов готовили навески компонента А (полиол), компонента Б (изоцианат) и наполнителя. Массовую долю модификатора (фУНТ) в композите варьировали от 0.001 до 0,1%. Навески наполнителя добавляли в компонент А и обрабатывали смесь ультразвуком при помощи погружного рожкового диспергатора УЗГ 13 – 0.1/22 в течение 30 мин при перемешивании на магнитной мешалке с одновременным охлаждением в проточной воде. Далее в дисперсию добавляли отвердитель (компонент Б) и тщательно перемешивали. После этого смесь переносили в фторопластовою форму, предварительно разогретую до 80о С. В свою очередь форму помещали в сушильный шкаф и выдерживали там 2 часа при 80о С.
Физико-механические характеристики (прочность при растяжении, модуль упругости, удлинение при разрыве) композитов определяли на разрывной машине Roell/Zwick Z005. Испытания проводили на образцах в виде прямоугольников с закругленными углами шириной 9 мм и толщиной 1 мм при скорости растяжения 50 мм/мин. Для каждого состава композита измеряли не менее 20 образцов.
Результаты и обсуждения
Исследования физико-механических свойств включали измерения разрушающего напряжения и эластичности в испытаниях на растяжение. Полученные данные представлены на рис. 1.
Рассмотрено влияние количества модификаторов на физико-механические параметры, из рисунков 1, 2 видно, что с увеличением содержания наполнителя вплоть до определенного значения (максимум на кривой) наблюдается эффект увеличения разрывного напряжения и эластичности, далее следует спад и выход на плато. В случае с фУНТ (мдэа) и фУНТ (тэа) максимум напряжения и эластичности наблюдается при концентрации 0,005%. При добавлении не функционализированных УНТ в композит обнаружена тенденция к уменьшению прочностных характеристик. Это
объясняется отсутствием взаимодействия УНТ с матрицей полимера, а как следствие низкий показатель величины межфазного взаимодействия.
Увеличение
физико-механических характеристик связано с образованием упорядоченных структур, для которых малые количества высокодисперсной фазы являются фактически зародышами «кристаллизации» в полимерной матрице, которая достигается при определенной концентрации. Дальнейшее увеличение концентрации наполнителя приводит к уменьшению физико-механических свойств. Падение прочности при концентрациях фУНТ более 0.005% объясняется агломерацией наночастиц и, как следствие, снижением величины межфазного взаимодействия за счет уменьшения поверхности контакта с полимерной матрицей.
Выводы
1. Показана возможность регулирования механических
свойств ПУ- композиций при введении каталитических количеств модификаторов.
2.
Показано существенное влияние
каталитических
количеств
фУНТ (тэа)
и
фУНТ
(мдэа) на
физико-механические характеристики ПУ-композиций, определены оптимальные концентрации модификаторов.
Список литературы
[1] Захарычев Е.А. «Разработка полимерных композиционных материалов на основе эпоксидного связующего и функционализированных углеродных нанотрубок». 2013. Нижний Новгород. С. 4-10. ННГУ.
[2] Каблов, Е.Н. Механизм наноструктурирования полимерных матриц, легированных углеродными нанотрубками / Е.Н. Каблов, В.Т. Минаков, Р.В. Акатенков и др. // Наноматериалы: доклады Харьковской нанотехнологической ассамблеи. – Харьков, Украина, 2008. – Т. 2. – С. 177–180.
[3] Низкочастотный комплекс импедансных измерений характеристик проводящих сред. /2008 г. А.В. Афанасьев, А.Н. Москвичев, А.А. Москвичев, В.А. Односевцев , И.Я. Орлов.
[4] Полиуретаны. Покрытия. Клеи. Герметики. (пер. с англ.)/ У.М. Вестус.: Пэйгт Медия 2010. с. 399- 405.
[5] Ajayan P.M., Stephan O., Colliex C., Trauth D. // Science. 1994. V. 265. № 5176. P. 1212.
[6] Behnam, A. Effects of nanotube alignment and measurement direction
on percolation in single-wall carbon nanotube films / A. Behnam, J. Guo, A. Ural // Journal of Applied Physics. – 2007. – V. 102. – P. 44313: 1–7
