Физические основы межфазной адгезии полимерная матрица – углеродные нанотрубки (нановолокна) нанокомпозитов

Аннотация

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 этот
эффект 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) составляет
только ~ 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 dispersionfi
lled nanocomposites. Inorganic Mater.: Appl. Res. 2019;10(1): 226–230. DOI: https://doi.org/10.1134/s2075113319010167
3. Dolbin I. V., Karnet Yu. N., Kozlov G. V., Vlasov A. N. Mechanism of growth of interfacial regions
in polymer/carbon nanotube nanocomposites. Composites: Mechanics, Computations, Applications: An
Intern. J. 2018;10(3): 213 220. DOI: https://doi.org/10.1615/CompMechComputApplIntJ.2018029234
4. Kozlov G. V., Dolbin I. V. The effect of uniaxial extrusion of the degree of reinforcement of nanocomposites
polyvinyl chloride/boron nitride. Inorganic Mater.: Appl. Res. 2019;10(3): 642–646. DOI: https://doi.org/10.1134/S2075113319030183
5. Moniruzzaman M., Winey K. I. Polymer nanocomposites containing carbon nanotubes. Macromolecules.
2006;39(16): 5194–5206. DOI: https://doi.org/10.1021/ma060733p
6. 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.2004.11.003
7. Kozlov G. V., Dolbin I. V. The description of elastic modulus of nanocomposites polyurethane/graphene
within the framework of modifi ed blends rule. Materials Physics and Mechanics. 2018;40(2): 152–157.
DOI: https://doi.org/10.18720/MPM.4022018_3
8. 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/10.22226/2410-3535-2018-1-77-80
9. Kozlov G. V., Dolbin I. V., Koifman O. I. A fractal model of reinforcement of carbon polymer–nanotube
composites with ultralow concentrations of nanofi ller. Doklady Physics. 2019;64(5): 225–228. DOI: https://doi.org/10.1134/S1028335819050021
10. 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.20196210.5962
11. Schaefer D. W., Justice R. S. How nano are nanocomposites? Macromolecules. 2007;40(24):
8501–8517. DOI : https://doi.org/10.1021/ma070356w
12. 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/S1068366619050027
13. Yanovsky Yu. G., Kozlov G. V., Zhirikova Z. M., Aloev V. Z., Karnet Yu. N. Special features of the structure
of 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.i2.10
14. Козлов Г. В., Долбин И. В. Влияние взаимодействий нанонаполнителя на степень усиления
нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки. Нано- и микросистемная техника. 2018;20(5):
259–266. DOI: https://doi.org/10.17587/nmst.20.259-266
15. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Interrelation between elastic moduli of fi ller and polymethyl methacrylatecarbon
nanotube nanocomposites. Glass Physics and Chemistry. 2019;45(4): 277–280. DOI: https://doi.org/10.1134/S1087659619040060
16. 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 breloaded
conductive polymer composites. J. Mater. Sci. Lett. 1989;8(2): 102–103. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00720265
18. Kozlov G. V., Zaikov G. E. Structure of the Polymer Amorphous State. Utrecht, Boston: Brill Academic
Publishers; 2004. 465 p.
19. Puertolas J. A., Castro M., Morris J. A., Rios R., Anson-Casaos A. Tribological and mechanical properties
of grapheme nanoplatelet/PEEK composites. Carbon. 2019;141(1): 107–122. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.09.036
20. Zhang M., Zhang W., Jiang N., Futaba D. N., Xu M. A general strategy for optimizing composite
properties 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.2019.08.017
21. 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 Mechanics
and Technical Physics. 2018;59(4): 765–769. DOI: https://doi.org/10.1134/S0021894418040259
22. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Structural interpretation of variation in properties of polymer/carbon
nanotube nanocomposites near the nanofi ller percolation threshold. Technical Physics. 2019;64(10): 1501–
1505. DOI: https://doi.org//10.1134/S1063784219100128
23. 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 analogy
with a polymer solution. High Temperature. 2019;57(3): 441–443. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X19030088
26. Kozlov G. V., Dolbin I. V. The simulation of carbon nanotubes as macromolecular coils: Interfacial
adhesion. Materials Physics and Mechanics. 2017;32(2): 103–107. DOI: https://doi.org/10.18720/MPM.3222017-1
27. Kozlov G. V., Dolbin I. V. Fractal model of the nanofi ller structure affecting the degree of reinforcement
of polyurethane–carbon nanotube nanocomposites. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics.
2018;59(3): 508–510. DOI: https://doi.org/10.1134/S002189441803015X
28. Dolbin I. V., Kozlov G. V. Structural version of Ostwald-de Waele equation: Fractal treatment. Fluid
Dynamics. 2019;54(2): 288–292. DOI: https://doi.org/10.1134/S0015462819010051
29. Atlukhanova L. B., Kozlov G. V., Dolbin I. V. The correlation between the nanofi ller structure and the
properties of polymer nanocomposites: fractal model. Inorganic Mater.: Appl. Res. 2020;11(1): 188–191. DOI:
https://doi.org/10.1134/S2075113320010049
30. Kozlov G. V., Yanovskii Yu. G., Zaikov G. E. Structure and properties of particulate-fi lled polymer
composites: 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/ma990095t
32. 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/10.1063/1.1763240
33. Berhan L., Sastry A. M. Modeling percolation in high-aspect-ratio fi ber systems. I. Soft-core versus
hard-core models. Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2007;75(23):
041120. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.75.041120
34. Shi D.-L., Feng X.-Q., Huang Y.Y., Hwang K.-C., Gao H. The effect of nanotube waviness and
agglomeration on the elastic property of carbon nanotube-reinforced composites. Journal of Engineering
Materials and Technology, Transactions of the ASME. 2004;126(2): 250–257. DOI : https://doi.org/10.1115/1.1751182
35. Lau K.-T., Lu M., Liao K. Improved mechanical properties of coiled carbon nanotubes reinforced epoxy
nanocomposites. Composites. Part A. 2006;37(6): 1837–1840. DOI : https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2005.09.019
36. Martone A., Faiella G., Antonucci V., Giordano M., Zarrelli M. The effect of the aspect ratio
of 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.2011.04.002
37. Shao L. H., Luo R. Y., Bai S. L., Wang J. Prediction of effective moduli of carbon nanotube – reinforced
composites with waviness and debonding. Composite Struct. 2009;87(3): 274–281. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2008.02.011
38. Omidi M., Hossein Kokni D. T., Milani A. S., Seethaller R. J., Arasten R. Prediction of the mechanical
characteristics 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.2010.05.007
39. 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