Влияние структуры углеродных нанотрубок в полимерной матрице на межфазные эффекты в нанокомпозитах
Аннотация
В настоящее время хорошо известно, что межфазные эффекты играют определяющую роль в формировании свойств полимерных композитов вообще и нанокомпозитов в частности. Поэтому в настоящей работе исследована взаимосвязь структуры углеродных нанотрубок в полимерной матрице нанокомпозита и уровня межфазной адгезии, характеризуемого безразмерным параметром ba.
Показано, что углеродные нанотрубки формируют кольцеобразные структуры, которые являются аналогом макромолекулярных клубков разветвленных полимерных цепей и представляют собой специфический тип агрегатов для этого типа нанонаполнителей. Такие кольцеобразные структуры могут быть геометрически описаны либо полной окружностью («замкнутые» структуры), либо ее частью (дугой) («открытые» структуры). По мере усиления процесса агрегации углеродных нанотрубок, характеризуемого уменьшением радиуса кольцеобразных структур, наблюдается снижение фрактальной размерности их поверхности по сравнению с номинальной максимальной величиной. При достижении минимально возможного (порядка 130 нм) радиуса кольцеобразных структур их
поверхность воспринимается полимерной матрицей как абсолютно гладкая, т.е. с размерностью d = 2. Это определяет переход уровня межфазной адгезии от наноадгезии к совершенной (по Кернеру) адгезии. Реализация эффекта наноадгезии позволяет существенно улучшить свойства анокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки. Эффект наноадгезии реализуется только в случае фрактальной поверхности кольцеобразных структур нанотрубок.
Параметр ba, характеризующий уровень межфазной адгезии в полимерных нанокомпозитах, линейно увеличивается по мере роста фрактальной размерности поверхности агрегатов углеродных нанотрубок. В этом случае максимально достижимая номинальная размерность поверхности нанотрубок, равная ~ 2.85, реализуется только для «открытых» кольцеобразных структур. Предложенные аналитические методы позволяют прогнозировать как межфазные характеристики, так и свойства нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки.
Скачивания
Литература
Moniruzzaman M., Winey K. I. Polymer nanocomposites containing carbon nanotubes. Macromolecules. 2006;39(16): 5194–5205. https://doi.org/10.1021/ma060733p
Coleman J. N., Khan U., Blau W. J., Gun’ko Y. K. Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube-polymer composites. Carbon. 2006;44(6): 1624–1652. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.02.038
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 interfacial regions. Experiment and modeling. Polymer. 2006;47(23): 8556–8561. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2006.10.014
Yang K., Gu M., Guo Y., Pan X., Mu G. Effect of carbon nanotube functionalization on the mechanical and thermal properties of epoxy composites. Carbon. 2009;47(7): 1723–1737. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.02.029
Supova M., Martynkova G. S., Barabashova K. Effect of nanofiller dispersion in polymer matrices: a review. Science of Advanced Materials. 2011;3(1): 1–25.https://doi.org/10.1166/sam.2011.1136
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.
Kim H., Abdala A. A., Macosko C. W. Graphene/polymernanocomsites. Macromolecules. 2010;43(16): 6515–530. https://doi.org/10.1021/ma100572e
Schaefer D. W., Justice R. S. How nano are nanocomposites? Macromolecules. 2007;40(24): 8501–8517. https://doi.org/10.1021/ma070356w
Atlukhanova L. B., Dolbin I. V., Kozlov G. V. The physical characteristics of nanofiller and interfacial regions in nanocomposites with polymer/carbon nanotubes and elastomeric vitreous matrix. Condenced Matter and Interphases. 2019;21(4): 471–477. https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/2358
Bridge B. Theoretical modeling of the critical volume fraction for percolation conductivity in fibreloaded conductive polymer composites. Journal of Materials Science Letters. 1989;8(2): 102–103. https://doi.org/10.1007/BF00720265
Schaefer D. W., Zhao J., Dowty H., Alexander M., Orler E. B. Carbon nanofibre reinforcement of soft materials. Soft Matter. 2008;4(10): 2071–2078. https://doi.org/10.1039/b805314f
Kozlov G. V., Dolbin I. V. Theoretical basis for designing high-modulus polymer fibers and nanocomposites based on them. Fibre Chemistry. 2021;53(1): 46–49. https://doi.org/10.1007/s10692-021-10237-7
Omidi M., Rokni D. T., Milani A. S., Seethaler R. J., Arasteh 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. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.05.007
Kozlov G. V., Magomedov G. M., Magomedov G. M., Dolbin I. V. The structure of carbon nanotubes in a polymer matrix. Condenced Matter and Interphases. 2021;23(2): 223–228. https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3433
Thostenson E. T., Chou T.-W. Processingstructure-multi-functional properties relationship in carbon nanotube/epoxy composites. Carbon. 2006;44(12): 3022–3029. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.05.014
Kozlov G. V., Dolbin I. V. Effect of the surface structure of a 2D Nanofiller on the elastic modulus of polymer nanocomposites. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2019;13(4): 766–770. https://doi.org/10.1134/S1027451019040268
Kozlov G. V., Dolbin I. V. Interrelation between elastic moduli of filler and polymethyl methacrylatecarbon nanotube nanocomposites. Glass Physics and Chemistry. 2019;45(4): 277–280. https://doi.org/10.1134/S1087659619040060
Copyright (c) 2022 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
