Обзор применений углеродных нанотрубок в полимерных композиционных материалах

ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЙ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ Родионов Владимир Викторович, канд. физ.-мат. наук, с.н.с. РЦН Мякишев Александр Михайлович

Юго-Западный государственный университет, г,Курск, Россия

Рассмотрены особенности структуры и характеристики углеродных нанотрубок, такие как прочность при растяжении, удельный модуль упругости, удельная плотность, а также их влияние на вязкость, жесткость, эластическое восстановление, условную прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве, относительную остаточная деформация после разрыва, модуль упругости при 300% -ной деформацию и другие механические свойства полимерных композиционных материалов.

Ключевые слова: нанокомпозит, наноразмерный наполнитель, углеродные нанотрубки, резинотехнические изделия, технические характеристики.

Современное развитие техники выдвигает новые и более высокие требования к физико-механическим свойствам полимерных композиционных материалов (ПКМ), широко применяемых в изделиях специального назначения, что обусловливает актуальность задачи создания новых полимерных нанокомпозитов с высокими физико-механическими свойствами. Данная проблема успешно решается методами структурной модификации полимерной матрицы ПКМ.

Одним из перспективных методов структурной модификации является введение в полимерную матрицу ультрадисперсных структур, среди которых отдельно можно выделить углеродные нанотрубки и нановолокна

[1, 9].

Углеродные нанотрубки (УНТ) с момента их открытия Инжимой в 1991 году стали объектом исследований во всем мире благодаря их уникальной структуре и целому ряду интереснейших свойств [1, 2].

В настоящее время существуют два основных направления в изготовлении новых материалов с добавлением углеродных нанотрубок, во-первых, в качестве проводниковых матриц с полевой эмиссией, в гибких дисплеях, в печатной электронике; во-вторых, для изготовления композитов с уникальными механическими свойствами. Так, добавленные в резинотехнические изделия углеродные нанотрубки позволяют улучшить их основные физико-механические показатели: условную прочность, относительное удлинение, потерю объема при истирании и т.д. [2, 10]. В связи с этим углеродные нанотрубки нашли широкое применение в промышленном производстве полимерных композитных материалов.

Рисунок 1 - Электронная микрофотография углеродных трубок при увеличении х300 000 с обозначением диаметра УНТ

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой тонкие цилиндрические структуры с полусферическими торцами диаметром от одного до нескольких десятков нанометров, что примерно в 3500 раз меньше диаметра человеческого волоса. На рисунке 1 представлено изображение УНТ, используемых при производстве ПКМ, сделанное с помощью сканирующего (растрового) электронного микроскопа фирмы ШОЬ (Япония) модель 1БМ6610ЬУ, при увеличении х300 000 раз. Диаметр, равный 13 нм, характерен для многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), а длина превышает 10 мкм [3,8]. МУНТ обычно состоят из нескольких свернутых в различном направлении (п, п) в трубку графеновых плоскостей с поверхностями, составленных из правильных шестиугольников с атомами углерода в вершинах (рис. 2).

Вследствие особенностей своей структуры УНТ обладают удивительными механическими свойствами, как это показано, например, в [4] и [5]. Так модуль упругости и удельная прочность при растяжении варьируется от 500 до 5000 ГПа и от 200 до 750 ГПа, соответственно, что во много раз выше, чем у высокопрочной легированной стали. Плотность УНТ менее 2 г/см3 и является низким показателем для данного параметра. Благодаря указанным свойствам УНТ могут быть эффективно применены для создания ультралегких прочных композиционных материалов, в том числе в сочетании с углеродными нано- и микроволокнами, плотность которых в среднем сопоставима с УНТ и составляет 1800 кг/м [6] (см. таблицу 1).

Рисунок 2 - Схематичное изображение графеновых плоскостей в УНТ

Таблица 1 - Сравнение технических характеристик УНТ _и других материалов [4 -5]_

Материал Углеродные нанотрубки Углеродное волок-но(полиакрилонит-рил) Легированная сталь

Прочность при растяжении, ГПа 200 - 750 3 - 7 ~ 0,4

Удельный модуль упругости, ГПа 500 - 5000 100 - 400 ~ 260

Удельная плотность, г/см3 1.3 - 2 1.7 - 2 7.8

Применяемые в резинотехнических изделиях углеродные нанотрубки и волокна, являются активными наполнителями, которые равномерно распределяются в его массе и соединяются с молекулами каучука и другими ингредиентами резиновой смеси, образуя пространственную сетку, пронизывающую весь объем каучука в разных направлениях, образуя непрерывную структуру [3,8]. Вследствие этого вулканизаты с активным наполнителем имеют увеличенные механические характеристики [3, 8], а именно: прочностные показатели, сопротивление раздиру и истиранию, теплозащитные свойства. Одно из условий получения повышенных технических свойств резин с углеродными нанотрубками — хорошее диспергирование последних в массе при приготовлении резиновой смеси. При этом должна быть соблюдена оптимальная дозировка, иначе предполагаемый эффект

получить не удастся. Для сравнительной оценки влияния УНТ на свойства резины в таблице 2 приведены результаты испытаний резины на основе каучука СКМС-30АРК с 4 мас. % МУНТ [7].

Таблица 2 - Характеристики резинотехнических изделий _на основе каучука_

Наименование пока- Норма по ГОСТ Контрольный Образец с 4

зателей 15627-79 образец мас. % МУНТ

Вязкость по Муни, ед. 46-57 51 57

Жесткость по Дефо, гс Не нормируется 750 780

Эластическое восста- 3.1 3.2

новление, мм

Условная прочность при растяжении, МПа

Относительное удлинение при разрыве, % 550-750 500 463

Относительная оста-

точная деформация 20 10 8

после разрыва, %

Модуль упругости при 300% -ной деформации, МПа

Ряд параметров, таких как вязкость, жесткость и эластическое восстановление каучука увеличивается на 12%, 4% и 3%, соответственно, при добавлении 4 мас. % УНТ. Качественное увеличение физических характеристик пропорционально процентному содержанию МУНТ по массе в диапазоне 0.5%-5%. Условная прочность при растяжении практически не изменяется. Относительное удлинение при разрыве и, как следствие, относительная остаточная деформация после разрыва уменьшаются на 37% и 2%, соответственно, что указывает на неравномерное распределение в объеме каучука УНТ при диспергировании. При 300%-ной деформации жесткость материала увеличивается по данным роста модуля растяжения и модуля упругости [7].

Таким образом, углеродные оказывают заметное влияние на механические свойства композитов, что дает возможность применять их в проектировании новых и совершенствовании уже существующих материалов.

Список литературы

1. Кропотин О. В. и др. Влияние углеродных модификаторов на структуру и износостойкость полимерных нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена //Журнал технической физики. - 2014. - Т. 84. - №. 5. - С. 66.

2. Кузьмина Е. С. Применение углеродных нанотрубок в резиновых смесях на основе эпихлоргидринового каучука.

3. Элькади М. М., Хорольский М. С., Санин А. Ф. НАНОТЕХНОЛОГИИ—ОДНО ИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОЗДАНИЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛАСТОМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ. - 2018.

4. Мищенко С. В., Ткачев А. Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение // Машиностроение. — 2008. — 320. — С. 17—18.

5. Charles E. H., Mark J. S., Hugh R. G. A survey of emerging materials for revolutionary aerospace vehicle structures and propulsion systems. — Washington: National Aeronautics and Space Administration, 2002. — P. 4—6.

6. Hungo C., Yeonsu J., Youngjin J., et al. Fabrication and applications of carbon nano-tube fibers // Carbon Lett. — 2012. — 4. — P. 191—194.

7. Николаев И. В., Даньшина В. В. Исследование механических характеристик резинотехнических изделий, модифицированных углеродными нанотрубками //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2015. - Т. 17. - №. 1.

8. Gullapalli S., Wong M. S. Nanotechnology: A Guide to Nano-Objects // Chem. Eng. Progr. — 2011. — 107, N 5. — P. 28—32.

9. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005. 257 с.

10. Елецкий, А.В. Углеродные нанотрубки / А.В .Елецкий // Успехи физических наук.- 1997. - т.167, №9. -С.945 - 972.

Rodionov Vladimir Viktorovich, Cand. Phys. - Mat. Sciences, s. n. s. RTSN Myakishev Alexander Mikhailovich Southwestern state University,Kursk, Russia

OVERVIEW OF APPLICATIONS OF CARBON NANOTUBES IN POLYMER COMPOSITE MATERIALS

The structure and characteristics of carbon nanotubes are considered, such as tensile strength, specific modulus of elasticity, specific density, as well as their influence on viscosity, stiffness, elastic recovery, conditional tensile strength, elongation at break, relative residual deformation after break, modulus of elasticity at 300% deformation and other mechanical properties of polymer composite materials.

Keywords: nanocomposite, nanoscale filler, carbon nanotubes, rubber products, technical characteristics.