Модифікація поліамідного волокна в результаті введення вуглецевих нанотрубок і графена

Як відомо, введення в полімер нановуглецевих матеріалів, таких як вуглецеві нанотрубки (ВНТ) або графен призводить до істотної зміни електричних, механічних і оптичних властивостей отриманого композиту. Достатньо введення невеликого, менше 1%, кількості УНТ для того, щоб перевести композит в клас провідних матеріалів. Такий ефект обумовлений високою провідністю і високим аспектних ставленням УНТ, завдяки якому перколяционный перенесення заряду відбувається вже при досить невеликому вмісті УНТ.

Поряд з провідністю, наноуглеродные частинки володіють рекордними механічними характеристиками, що відкриває можливість їх використання в якості присадки для модифікації механічних властивостей полімерів. Роботи в цьому напрямку, проведені в багатьох лабораторіях світу, не призвели поки що до значним досягненням, що пов’язано з труднощами вирішення проблеми механічного сполучення поверхні ВНТ або графену з полімерною матрицею. Однак дослідження, виконані нещодавно групою фахівців зі Швейцарії [1], показали, що поряд з прямим механізмом зміни механічних характеристик полімерного матеріалу в результаті введення нановуглецевих частинок, є також непрямий механізм, пов’язаний з підвищенням ступеня кристалічності полімеру в результаті такого процесу. Наноуглеродные частинки сприяють підвищенню середнього розміру полімерних молекул, що призводить до зміни механічних властивостей композиту.

В якості присадки до полімеру автори використовували багатошарові УНТ діаметром 10-20 нм і довжиною більш 1 мкм, а також графенові нанопластинки (РНП) товщиною 6-15 нм і середнім діаметром 25 мкм. В якості полімеру використовували поліамідну смолу РА12. Спочатку таблетки РА12 масою 4 г протягом 48 год прогрівали при 60оС, а потім разом з присадкою поміщали в гомогенізатор (час – 180 с, температура – 190оС, швидкість – 180 об./хв). Масовий вміст присадки УНТ або РНП в зразках становила 0.05 %, 0.1 % і
0.5 %. Отриманий композитний матеріал звивали стандартним способом волокна при температурі 220оС. Зразки волокон досліджували за допомогою скануючого електронного мікроскопа, оптичного мікроскопа, ширококутного рентгенівського дифрактометра, а також стандартного обладнання для механічних випробувань. Результати цих досліджень вказують на існування значних (розміром до 10 мкм) областей агломерації домішкових наночастинок, що має негативно впливати на механічні характеристики композиту. Незважаючи на це випробування продемонстрували значне, до чотириразового збільшення механічної міцності волокна в результаті додавання менше 1% нановуглецевих частинок. Цей результат можна бачити з представлених на рисунку залежностей розтягування від зусилля, отриманих для композитів різного складу.

Як видно, введення присадки призводить до багаторазового збільшення модуля Юнга (відношення зусилля до розтягування) композиту. При цьому найбільший ефект спостерігається в разі композиту з присадкою 0.5% РНП. Результати рентгенографічних вимірювань показують, що даний ефект пов’язаний зі збільшенням ступеня кристалічності полімеру, що супроводжує підвищення вмісту присадки в композиті. На думку авторів, вуглецеві наночастинки служать центрами кристалізації полімеру, тому їх додавання сприяє збільшенню довжини полімерних ланцюгів. При цьому УНТ в якості присадки виявляються більш ефективними, ніж РНП.

 

1. S. Chatterjee et al, Chem. Phys. Lett. 557, 92 (2013).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *