Композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками
COMPOSITE MATERIAL WITH ORIENTED CARBON NANOTUBES

Изобретение относится к области композиционных материалов, состоящих из полимерной матрицы и наполнителя, в роли которого выступают углеродные нанотрубки (УНТ). Данный композиционный материал обладает повышенной прочностью за счет формирования в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного электрического поля.
Известно, что углеродные нанотрубки обладают высокими прочностными характеристиками и могут использоваться для создания полимерных нанокомпозитов (ПНКМ). Однако также известно, что углеродные нанотрубки в больших концентрациях создают агломераты, которые снижают прочностные свойства ПНКМ. Для решения этой проблемы используется множество способов: применение поверхностно-активных веществ (ПАВ), обработка ультразвуком и др. Одним из способов решения данной проблемы является ориентирование углеродных нанотрубок в матрице.
Известен полимерный композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками, получаемый пропиткой матричным материалом массива ориентированных многостенных углеродных нанотрубок, выращенных методом MOCDV, в полимерной композиции под воздействием вакуума, промывку пропитанной матрицы в воде и ее термообработку при температуре не выше температуры деструкции полимерного состава. (Патент РФ №2560382, опубликован 25.08.2015 г.).
Недостатком данного материала является высокая трудоемкость, предполагающая изначальное выращивание углеродных нанотрубок в заданном направлении, а также промывку пропитанной матрицы, что усложняет технологический процесс получения полимерного композита.
Известен нанокомпозиционный материал получения нанокомпозита на основе слоистого углеродного композиционного материала с высоким сопротивлением к расслаиванию с ориентированными углеродными нанотрубками в магнитном поле (патент РФ 2380232, опубликован 27.01.2010 г.).
Недостатками данного материала является высокая трудоемкость, которая заключается в предварительном модифицировании углеродных нанотрубок, а также ориентирование нанотрубок в направлении, перпендикулярном слоям, что является причиной анизотропии слоистого нанокомпозита и его ослабления в направлении расположения слоев материала.
Наиболее близким к заявленному материалу является композиционный материал, содержащий арматуру, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу, углеродные нанотрубки, ориентированные в последней заданным электрическим полем (Патент РФ 2468918, опубликованный 10.12.2012 г.)
Недостатком известного композиционного материала, в том числе технической проблемой является то, что в данном материале углеродные нанотрубки будут ориентированы перпендикулярно направлению укладки армирующих волокон, что сделает их концентраторами напряжений в случае приложения силы вдоль армирующего материала, а, кроме того, углеродные нанотрубки в данном случае требуют предварительной обработки ультразвуком в растворителе с последующим удалением растворителя.
В основу заявленного изобретения был положен технический результат - повышенная прочность на разрыв за счет сформированной в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок.
Технический результат достигается тем, что композиционный материал, содержащий арматуру, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу, углеродные нанотрубки, ориентированные в последней вдоль арматуры однородным постоянным электрическим полем, а содержание углеродных нанотрубок выбрано в пределах от 0,05% до 0,3% об.
Изобретение поясняется графическими изображениями.
На чертеже схематично изображена структура материала.
Композиционный материал, содержащий арматуру 1, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу 2, углеродные нанотрубки 3, ориентированные в последней заданным электрическим полем, который содержит углеродные нанотрубки ориентированные вдоль арматуры однородным постоянным электрическим полем, а содержание углеродных нанотрубок выбрано в пределах от 0,05% до 0,3% об.
Арматурой 1 может быть волокно, например углеродное, нити, например, стеклонити, различные ленты. Матрицей 2 могут быть различные смолы, как то: эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, полиамидные смолы. Способ осуществляется следующим образом. Арматура 1 (нити, ленты) проходит через пропиточную ванну, в которой установлены обкладки, соединенные с выпрямителем, подключенным к трансформатору, после чего проходит через отжимное устройство и наматывается на оправку.
Структура материала представлена следующим образом. Арматура 1 протягивается армирующий материал 2, в матрице находятся углеродные нанотрубки 3, ориентированные в направлении вектора напряженности однородного постоянного электрического поля.
Физико-механические характеристики приведены в таблице 1.
Изобретение основано на следующем.
Однородное постоянное электрическое поле разрушает агломераты углеродных нанотрубок и ориентирует их в направлении вектора напряженности поля. Армирующий материал пропущен также в направлении вектора напряженности электрического поля.
Как показывают экспериментальные данные предел прочности композиционного материала, состоящего из стеклонитей и эпоксидной смолы с добавлением нанотрубок в количестве 0,05% об. увеличивается в 1,3 раза, а при том же количестве нанотрубок и при воздействии электрического поля с напряженностью 1000 В/м и 10000 В/м предел прочности увеличивается соответственно в 1,365 и 1,69 раза.
При больших концентрациях УНТ в матрице образуются агломераты нанотрубок, снижающие прочностные характеристики материала. При воздействии электрического поля на матрицу с содержанием УНТ 0,2% об. предел прочности возрастает в 1,06 и в 1,275 раза при напряженности поля соответственно 1000 и 10000 В/м, а для содержания УНТ 0,3% об. - в 1,05 и 1,12 раза при 1000 и 10000 В/м соответственно, что подтверждает частичное разрушение агломератов и ориентирование нанотрубок.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения, обеспечивает заявленный технический результат, то есть повышенную прочность на разрыв за счет сформированной в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для создания нанокомпозиционных материалов с повышенной прочностью за счет углеродных нанотрубок, ориентированных с помощью электрического поля;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.