Характеристики нанонаполнителя и межфазных областей в нанокомпозитах полимер/углеродные нанотрубки с эластомерной и стеклообразной матрицей

Аннотация

Целью настоящей работы является раздельное определение модуля упругос-
ти компонент нанокомпозитов полидициклопентандиен/многослойные углеродные на-
нотрубки, а именно, нанонаполнителя и межфазных областей. Для достижения этой цели
использована микромеханическая модель.
Выполненные оценки продемонстрировали, что модуль упругости углеродных нанотрубок
в полимерной матрице нанокомпозита, т. е., их агрегатов, приблизительно на два поряд-
ка меньше номинальной величины этого параметра для отдельной углеродной нанотруб-
ки, тогда как модуль упругости межфазных областей примерно в два раза выше модуля
упругости матричного полимера. Эти данные ясно демонстрируют некорректность при-
менения номинальных характеристик нанонаполнителя, в частности, его модуля упру-
гости, для определения соответствующих показателей нанокомпозита. Однако использо-
вание реальных величин модуля упругости агрегатов углеродных нанотрубок в рамках
простого правила смесей позволяет достаточно точное описание этого параметра в случае
нанокомпозитов. Важно отметить, что модуль упругости углеродных нанотрубок в элас-
томерной матрице существенно меньше этого параметра в стеклообразной матрице для
одного и того же нанокомпозита. Это означает, что указанный параметр определяется не
только размерами и структурой агрегатов нанонаполнителя, но также и другими факто-
рами, в частности, жесткостью окружающей агрегат полимерной матрицы, эффективнос-
тью переноса приложенного к образцу механического напряжения от полимерной мат-
рицы к нанонаполнителю и т. п.
Применение модифицированного правила смесей для описания модуля упругости нано-
композитов показало, что включенный в него, так называемый, фактор эффективности
длины в случае анизотропного нанонаполнителя существенно меньше (на несколько
порядков) рассчитанного теоретически для углеродных нанотрубок, что особенно очевид-
но выражено в случае нанокомпозитов с эластомерной матрицей.
В качестве вывода укажем, что модуль упругости компонент нанокомпозита является
сильной функцией их фазового состояния, а определение реальных характеристик этих
компонент позволяет корректное применение простого правила смесей.

ЛИТЕРАТУРА
1. Moniruzzaman M., Winey K.I. Polymer nanocomposites containing carbon nanotubes // Macromolecules,
2006, v. 39(16), p. 5194. DOI: https://doi.org/10.1021/ma060733p
2. Schaefer D. W., Justice R. S. How nano are nanocomposites? // Macromolecules, 2007, v. 40(24), p. 8501.
DOI: https://doi.org10.1021/ma070326w
3. Coleman J. N., Cadek M., Ryan K. P., Fonseca A., Nady J. B., Blau W. J., Ferreira M. S. Reinforcement of
polymers with carbon nanotubes. The role of an ordered polymer intwrfacial region. Experimental and
modeling // Polymer, 2006, v. 47(23), pp. 8556–8561. DOI: https://doi.org/10/1016/j.polymer.2006.10.014
4. Kozlov G. V., Yanovskii Yu. G., Zaikov G. E. Particulate-Filled Polymer Nanocomposites. Structure,
Properties, Perspectives. New York, Nova Science Publishers, Inc., 2014. DOI: https://doi.org/10.1002/9783527644346.ch3
5. Mikitaev A. K., Kozlov G. V., Zaikov G. E. Polymer Nanocomposites: Variety of Structural Forms and Applications.
New York, Nova Science Publishers, Inc., 2008.
6. Jeong W., Kessler M.R. Toughness enhancement in ROMP functionalized carbon nanotube/polydicyclopentadiene
composites. Chem. Mater., 2008. v. 20(22), р. 7060. DOI: https://doi.org/10.1021/cm8020947
7. Koerner H., Liu W., Alexander M., Mirau P., Dowty H., Vaia R. A. Deformation – morphology correlations
in electrically conductive carbon nanotube – thermoplastic polyurethane nanocomposites // Polymer, 2005, v. 46(12), р. 4405. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymer.2005.02.025
8. Ahmed S., Jones F. R. A review of particulate reinforcement theories of polymer composites // J.
Mater. Sci., 1990, v. 25(12), pp. 4933–4942. DOI: https://doi.org/10.1007/bf00580110
9. Aygubova A. Ch., Kozlov G. V., Magomedov G. M., Zaikov G. E. The elastic modulus of carbon nanotube
aggregates in polymer nanocomposites. J. Characterization and Development of Novel Mater., 2016, v. 8(3), p. 227.
10. Khan U., May P., O’Neill A., Bell A.P., Boussac E., Martin A., Semple J., Coleman J. N. Polymer reinforcement
using liquid-exfoliated boron nitride nanosheets // Nanoscale, 2013, v. 5(3), pp. 581-587. DOI: https://doi.org/10.1039/c2nr33049k