Полимерные нанокомпозиты с металлизированными углеродными нанотрубками: синтез, структура и свойства

Изучено влияние металлизированных углеродных многослойных нанотрубок (МУНТ) на тепло- и электрофизические свойства и структуру эластомера. Для получения металлизированных МУНТ использовали технологию синтеза с применением сверхвысокой частоты (СВЧ). Получение композита производилось по технологии смешения - перемешивания компаунда и МУНТ с применением верхнеприводной мешалки. Исследованы электро- и теплофизические свойства композитов, полученных на основе трех разных типов эластомеров – Силагерм 8020; 8030 и 8040.

При этом отмечается, что композит на основе Силагерма 8040 имеет лучшие характеристики, однако наблюдается существенная потеря эластичности, что во многих технологических приложениях неприемлемо.

Отмечается, что коэффициент упаковки F для Силагерма 8040 и Силагерма 8030 имеет близкое значение, однако критический показатель электропроводности имеет значение 2,5 при 2,3 для  Силагерма 8030. При более низких значениях тепло- и электропроводности Силагерм 8020 сохраняет высокий уровень гибкости.

Результатом работы явилось создание функционального композита, обладающего эффектом саморегулирования температуры при воздействии на него электрического напряжения. К сферам применения функционального композита, обладающего эффектом саморегулирования температуры, относятся технологии электронагрева, где требуются эластичные материалы, устойчивые к коррозии и внешним температурным и механическим воздействиям.

1. Oladele I.O., Omotosho T.F., Adediran A.A. Polymer-Based Composites: An Indispensable Material for Present and Future Applications. // International Journal of Polymer Science. 2020. P. 1–12. doi: 10.1155/2020/8834518.

2. Mazitova A.K., Zaripov I.I., Aminova G.K., Ovod M.V., Suntsova N.L. Fillers for polymer composite materials // Nanotechnologies in Construction. 2022. V. 14, N4. P. 294–299. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2022-14-4-294-299.

3. Yangkai Liu, Linlin Wang, Yanju Liu, Fenghua Zhang, Jinsong Leng. Recent progress in shape memory polymer composites: Driving modes, forming technologies, and applications // Composites Communications. 2024. V. 51. P. 102062. https://doi.org/10.1016/j.coco.2024.102062.

4. Stavros X. Drakopoulos, Jiaen Wu, Shawn M. Maguire, Sneha Srinivasan, Katelyn Randazzo, Emily C. Davidson, Rodney D. Priestley, Polymer nanocomposites: Interfacial properties and capacitive energy storage, Progress in Polymer Science. 2024. V. 156. P. 101870. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2024.101870.

5. Kwon Y.-J., Park J.-B., Jeon Y.-P., Hong J.-Y., Park H.-S., Lee, J.-U.A Review of Polymer Composites Based on Carbon Fillers for Thermal Management Applications: Design, Preparation, and Properties. // Polymers. 2021. V. 13. P. 1312. https://doi.org/10.3390/polym13081312.

6. Gaur M., Misra C., Yadav A. B., Swaroop S., et al. Biomedical Applications of сarbon nanomaterials: fullerenes, quantum dots, nanotubes, nanofibers and graphene // Materials (Basel). 2021. V. 14 (20). P. 5978. https://doi.org/10.3390/ma14205978.

7. Yung K.P., Wei J., Wang Z.F. and B.K. Tay. Carbon Nanotubes (CNTs) as conductive filler for polymer composite. // 2nd IEEE International Nanoelectronics Conference. Shanghai. China. 2008. Р. 1198–1201. doi: 10.1109/INEC.2008.4585694.

8. Lehman John H., Terrones Mauricio, Mansfi eld Elisabeth, et al. Evaluating the characteristics of multiwall carbon nanotubes // Carbon. 2011. V. 49. Issue 8.2. P. 2581–2602. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.03.028.

9. Arjmand M., Mirkhani S.A., Pötschke P. et al. Impact of synthesis temperature on structure of carbon nanotubes and morphological and electrical characterization of their polymeric nanocomposites. / AIP Conference Proceedings 1914(1). Lyon, France. doi: 10.1063/1.5016698.

10. Ishaq A. Mohammed, Mercy T. Bankole, Ambali S. Abdulkareem, et al. Full factorial design approach to carbon nanotubes synthesis by CVD method in argon environment // South African Journal of Chemical Engineering. 2017. V. 24. P. 17–42. https://doi.org/10.1016/sajce.2017.06.001.

11. Sari A.H., Khazali A., Parhizgar S. S. Synthesis and characterization of long-CNTs by electrical arc discharge in deionized water and NaCl solution. // Int Nano. 2018. Lett 8. P. 19–23. https://doi.org/10.1007/s40089-018-0227-5.

12. Das R., Shahnavaz Z., Ali M.E. et al. Can We Optimize Arc Discharge and Laser Ablation for Well-Controlled Carbon Nanotube Synthesis? // Nanoscale Research Letters 11. 2016. P. 510. https://doi.org/10.1186/s11671-016-1730-0.

13. Zhu H.W., Li X.S., Jiang B, Xu C.L, Zhu Y.F., Wu D.H, Chen X.H. Formation of carbon nanotubes in water by the electric-arc technique. // Chemical Physics. Letter. 2002. V. 366. Issues 5/6. P. 664–669. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(02)01648-2.

14. Borisenko D.N., Kolesnikov N.N., Kulakov M.P., Kveder V. (2002). Growth of carbon nanotubes (CNTs) in electric-arc discharge in argon. // International Journal of Nanoscience. 2001. V. 3, N 4, PP. 235–246. doi: 10.1142/s0219581x02000310.

15. Щегольков А.В, Щегольков А.В., Чумак М.А. Каминский В.В. Электропроводящие полимерные композиты на основе эластомеров, модифицированных углеродными нанотрубками с металлизированной поверхностью. // Каучук и резина. 2024. Т. 83, №4. С. 200-205.

16. Etman, M.A., Bedewy, M.K., Khalil, H.A., Azzam, B.S., & Ali, S. H. R. (2009). Carbon nanotubes reinforced polymer matrix nanocomposites. International Journal of Nanoparticles, 2(1/2/3/4/5/6). Р. 339. doi: 10.1504/ijnp.2009.028768.

17. Shchegolkov A.V. Comparative analysis of thermal eff ects in elastomers modifi ed with MWCNTs at constant electric voltage / A.V. Shchegolkov // Vector of Science of Togliatti State University. 2021. №1. S. 63–73.

18. Jiang, Y., Zhang, Y., Zhou, J. et al. Network structural carbon nanotubes covalently linked graphene composite film for flexible electro-thermal heater with enhanced performance. J Mater Sci: Mater Electron 34, 1335 (2023). https://doi.org/10.1007/s10854-02310757-4.

19. Mamunya Y.P., Davydenko V.V., Pissis P., Lebedev E.V. Electrical and thermal conductivity of polymers filled with metal powders. European Polymer Journal, 2002, vol. 38, N9, Р. 1887–1897. https://doi.org/10.1016/s0014-3057(02)00064-2.