Физические основы межфазной адгезии полимерная матрица – углеродные нанотрубки (нановолокна) нанокомпозитов
Authors: Атлуханова Луиза Бремовна , Долбин Игорь Викторович , Козлов Георгий Владимирович 
Published: July 2020

Целью настоящей работы является исследование физического базиса межфазной адгезии в системе полимер – углеродные нанотрубки. Эта цель реализуется на примере нанокомпозитов полипропилен/углеродные нанотрубки (нановолокна) в рамках фрактального анализа.В силу своей высокой степени анизотропии и низкой поперечной жесткости углеродные нанотрубки (нановолокна) формируют в полимерной матрице нанокомпозита кольцеобразные формирования, структурно аналогичные макромолекулярным клубкам разветвленных полимеров. Это обстоятельство позволяет моделировать структуру нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки (нановолокна) как полимерный раствор, используя для этой цели методы фрактальной физической химии. При таком подходе предполагается, что роль макромолекулярных клубков играют кольцеобразные формирования углеродных нанотрубок, а роль растворителя – полимерная матрица.Предложенная модель позволяет выполнить структурный анализ уровня межфазных взаимодействий полимерная матрица-нанонаполнитель или уровня межфазной адгезии. Обнаружено, что большая часть контактов между углеродными нанотрубками и полимерной матрицей, которые определяют указанный уровень, формируются внутри кольцеобразных формирований. В рамках фрактального анализа показано, что снижение радиуса кольцеобразных формирований или их компактизация приводит к росту фрактальной размерности, что затрудняет доступ матричного полимера в их внутренние части. Следствием этого эффекта является уменьшение числа контактов полимер-нанонаполнитель и значительное снижение уровня межфазной адгезии. Альтернативно этотэффект может быть описан как следствие компактизации кольцеобразных формирований, выраженной ростом их плотности. Показана прямая взаимосвязь показателя межфазной адгезии (безразмерного параметра ba) как с числом контактов полимер-углеродные нанотрубки, так и с объемом кольцеобразных формирований, доступным для проникновения полимера в их внутренние области. Количественный анализ продемонстрировал, что доля контактов, формирующихся на поверхности кольцеобразных формирований углеродных нанотрубок (нановолокон) составляеттолько ~ 7–10 %. Предложенная модель позволяет получить взаимосвязь между структурой нанонаполнителя в полимерной матрице и уровнем межфазной адгезии для нанокомпозитов этого класса. С практической точки зрения результаты позволяют определить структуру углеродных нанотрубок (нановолокон), необходимую для достижения наибольшего уровня межфазной адгезии.

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Mikitaev A. K., Kozlov G. V., Zaikov G. E. Polymer Nanocomposites: Variety of structural forms and applications. New York: Nova Science Publishers, Inc., 2008. 319 p.2. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Transfer of mechanical stress from polymer matrix to nanofi ller in dispersionfilled nanocomposites. Inorganic Mater.: Appl. Res. 2019;10(1): 226–230. DOI: https://doi.org/10.1134/s20751133190101673. Dolbin I. V., Karnet Yu. N., Kozlov G. V., Vlasov A. N. Mechanism of growth of interfacial regionsin polymer/carbon nanotube nanocomposites. Composites: Mechanics, Computations, Applications: AnIntern. J. 2018;10(3): 213 220. DOI: https://doi.org/10.1615/CompMechComputApplIntJ.20180292344. Kozlov G. V., Dolbin I. V. The effect of uniaxial extrusion of the degree of reinforcement of nanocompositespolyvinyl chloride/boron nitride. Inorganic Mater.: Appl. Res. 2019;10(3): 642–646. DOI: https://doi.org/10.1134/S20751133190301835. Moniruzzaman M., Winey K. I. Polymer nanocomposites containing carbon nanotubes. Macromolecules.2006;39(16): 5194–5206. DOI: https://doi.org/10.1021/ma060733p6. Thostenson E. T., Li C., Chou T.-W. Nanocomposites in contex. Composites Sci. Techn. 2005;65(2):491–516. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2004.11.0037. Kozlov G. V., Dolbin I. V. The description of elastic modulus of nanocomposites polyurethane/graphenewithin the framework of modifi ed blends rule. Materials Physics and Mechanics. 2018;40(2): 152–157.DOI: https://doi.org/10.18720/MPM.4022018_38. Козлов Г. В., Долбин И. В. Фрактальная модель переноса механического напряжения в наноком-позитах полиуретан / углеродные нанотрубки. Письма о материалах. 2018;8(1): 77–80. DOI: https://doi.org/10.22226/2410-3535-2018-1-77-809. Kozlov G. V., Dolbin I. V., Koifman O. I. A fractal model of reinforcement of carbon polymer–nanotubecomposites with ultralow concentrations of nanofi ller. Doklady Physics. 2019;64(5): 225–228. DOI: https://doi.org/10.1134/S102833581905002110. Козлов Г. В., Долбин И. В. Структурная модель эффективности ковалентной функционализации углеродных нанотрубок. Известия высших учебных заведений, Серия Химия и химическая технология. 2019;62(10): 118–123. DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196210.596211. Schaefer D. W., Justice R. S. How nano are nanocomposites? Macromolecules. 2007;40(24):8501–8517. DOI : https://doi.org/10.1021/ma070356w12. Atlukhanova L. B., Kozlov G. V., Dolbin I. V. Structural model of frictional processes for polymer/carbon nanotube nanocomposites. Journal of Friction and Wear. 2019;40(5). 475–479. DOI: https://doi.org/10.3103/S106836661905002713. Yanovsky Yu. G., Kozlov G. V., Zhirikova Z. M., Aloev V. Z., Karnet Yu. N. Special features of the structureof carbon nanotubes in polymer composite media. Nanomechanics. Sci. Technol.: An Intern. J. 2012;3(2).99–124. DOI: https://doi.org/10.1615/NanomechanicsSciTechnolIntJ.v3.i2.1014. Козлов Г. В., Долбин И. В. Влияние взаимодействий нанонаполнителя на степень усилениянанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки. Нано- и микросистемная техника. 2018;20(5):259–266. DOI: https://doi.org/10.17587/nmst.20.259-26615. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Interrelation between elastic moduli of fi ller and polymethyl methacrylatecarbonnanotube nanocomposites. Glass Physics and Chemistry. 2019;45(4): 277–280. DOI: https://doi.org/10.1134/S108765961904006016. Kozlov G.V., Dolbin I.V., Zaikov G.E. The Fractal Physical Chemistry of Polymer Solutions and Melts. Toronto, New Jersey: Apple Academic Press, 2014; 316 p.17. Bridge B. Theoretical modeling of the critical volume fraction for percolation conductivity of fi breloadedconductive polymer composites. J. Mater. Sci. Lett. 1989;8(2): 102–103. DOI: https://doi.org/10.1007/BF0072026518. Kozlov G. V., Zaikov G. E. Structure of the Polymer Amorphous State. Utrecht, Boston: Brill AcademicPublishers; 2004. 465 p.19. Puertolas J. A., Castro M., Morris J. A., Rios R., Anson-Casaos A. Tribological and mechanical propertiesof grapheme nanoplatelet/PEEK composites. Carbon. 2019;141(1): 107–122. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.09.03620. Zhang M., Zhang W., Jiang N., Futaba D. N., Xu M. A general strategy for optimizing compositeproperties by evaluating the interfacial surface area of dispersed carbon nanotubes by fractal dimension.Carbon. 2019;154(2): 457–465. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.01721. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Effect of a nanofi ller structure on the degree of reinforcement of polymer–carbon nanotube nanocomposites with the use of a percolation model. Journal of Applied Mechanicsand Technical Physics. 2018;59(4): 765–769. DOI: https://doi.org/10.1134/S002189441804025922. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Structural interpretation of variation in properties of polymer/carbonnanotube nanocomposites near the nanofi ller percolation threshold. Technical Physics. 2019;64(10): 1501–1505. DOI: https://doi.org//10.1134/S106378421910012823. Kozlov G. V., Zaikov G. E. The structural stabilization of polymers: Fractal Models. Leiden, Boston:Brill Academic Publishers; 2006. 345 p.24. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Modeling of carbon nanotubes as macromolecular coils. Melt viscosity.High Temperature. 2018;56(5): 830–832. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X18050176. 25. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Viscosity of a melt of polymer/carbon nanotube nanocomposites. An analogywith a polymer solution. High Temperature. 2019;57(3): 441–443. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X1903008826. Kozlov G. V., Dolbin I. V. The simulation of carbon nanotubes as macromolecular coils: Interfacialadhesion. Materials Physics and Mechanics. 2017;32(2): 103–107. DOI: https://doi.org/10.18720/MPM.3222017-127. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Fractal model of the nanofi ller structure affecting the degree of reinforcementof polyurethane–carbon nanotube nanocomposites. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics.2018;59(3): 508–510. DOI: https://doi.org/10.1134/S002189441803015X28. Dolbin I. V., Kozlov G. V. Structural version of Ostwald-de Waele equation: Fractal treatment. FluidDynamics. 2019;54(2): 288–292. DOI: https://doi.org/10.1134/S001546281901005129. Atlukhanova L. B., Kozlov G. V., Dolbin I. V. The correlation between the nanofi ller structure and theproperties of polymer nanocomposites: fractal model. Inorganic Mater.: Appl. Res. 2020;11(1): 188–191. DOI:https://doi.org/10.1134/S207511332001004930. Kozlov G. V., Yanovskii Yu. G., Zaikov G. E. Structure and properties of particulate-fi lled polymercomposites: the fractal analysis. New York: Nova Science Publishers, Inc.; 2010. 282 p.31. Shaffer M. S. P., Windle A. H. Analogies between polymer solutions and carbon nanotube despersions.Macromolecules. 1999;32(2): 6864–6866. DOI: https://doi.org/10.1021/ma990095t32. Yi Y. B., Berhan L., Sastry A. M. Statistical geometry of random fi brous networks revisited: waviness,dimensionality and percolation. Journal of Applied Physics. 2004;96(7): 1318–1327. DOI: https://doi.org/10.1063/1.176324033. Berhan L., Sastry A. M. Modeling percolation in high-aspect-ratio fi ber systems. I. Soft-core versushard-core models. Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2007;75(23):041120. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.75.04112034. Shi D.-L., Feng X.-Q., Huang Y.Y., Hwang K.-C., Gao H. The effect of nanotube waviness andagglomeration on the elastic property of carbon nanotube-reinforced composites. Journal of EngineeringMaterials and Technology, Transactions of the ASME. 2004;126(2): 250–257. DOI : https://doi.org/10.1115/1.175118235. Lau K.-T., Lu M., Liao K. Improved mechanical properties of coiled carbon nanotubes reinforced epoxynanocomposites. Composites. Part A. 2006;37(6): 1837–1840. DOI : https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2005.09.01936. Martone A., Faiella G., Antonucci V., Giordano M., Zarrelli M. The effect of the aspect ratioof carbon nanotubes of their effective reinforcementmodulus in an epoxy matrix. Composites Sci. Techn.2011;71(8): 1117–1123. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitechn.2011.04.00237. Shao L. H., Luo R. Y., Bai S. L., Wang J. Prediction of effective moduli of carbon nanotube – reinforcedcomposites with waviness and debonding. Composite Struct. 2009;87(3): 274–281. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2008.02.01138. Omidi M., Hossein Kokni D. T., Milani A. S., Seethaller R. J., Arasten R. Prediction of the mechanicalcharacteristics of multi-walled carbon nanotube/epoxy composites using a new form of the rule of mixtures.Carbon. 2010;48(11): 3218–3228. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.05.00739. Shady E., Gowayed Y. Effect of nanotube geometry on the elastic properties of nanocomposites.Composites Sci. Techn. 2010;70(10): 1476–1481. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2010.04.027