АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СПОСОБНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ПРИ СШИВАНИИ ЭПОКСИПОЛИМЕРОВ В РАМКАХ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА
Аннотация
Предложена структурная (фрактальная) модель, описывающая зависимость каталитической способности углеродных нанотрубок в процессе сшивания эпоксиполимеров. Повышение температуры сшивания эпоксиполимеров приводит к росту константы скорости реакции как для исходных эпоксиполимеров, так и для систем эпоксиполимер/углеродные нанотрубки, но для последних этот эффект выражен гораздо сильнее. Это означает существование каталитического эффекта углеродных нанотрубок, который усиливается по мере повышения температуры при их постоянной концентрации. Было обнаружено, что константа скорости катализа второго порядка пропорциональна разности констант скоростей реакции сшивания системы эпоксиполимер/углеродные нанотрубки и исходного эпоксиполимера. Это обстоятельство предполагает, что каталитическая способность углеродных нанотрубок в процессе сшивания связана с их структурой и конкретно – со структурой поверхности агрегатов этого нанонаполнителя. Снижение фрактальной размерности этой поверхности приводит к увеличению катализирующей способности углеродных нанотрубок. Указанная способность является также функцией структуры продукта реакции – микрогеля, т.е. сшитого макромолекулярного клубка эпоксиполимера. Повышение фрактальной размерности микрогеля определяет увеличение константы скорости катализа. Это означает, что эффективность катализа отверждения эпоксиполимеров углеродными нанотрубками контролируется разностью фрактальных размерностей микрогелей рассматриваемых систем. Рассмотрен критерий прекращения каталитического действия углеродных нанотрубок в рамках предложенной модели – этот эффект реализуется при равенстве фрактальных размерностей микрогелей обеих рассматриваемых систем. Существует предельная температура отверждения, при которой катализирующее действие углеродных нанотрубок прекращается. Дальнейшее повышение указанной температуры может привести к автозамедлению реакции сшивания. Следовательно, каталитическая способность углеродных нанотрубок определяется двумя структурными факторами: структурой поверхности катализатора (углеродных нанотрубок) и структурой формирующегося в процессе сшивания микрогеля эпоксиполимера.
Литература
Kozlov G.V., Zaikov G.E. Fractal Analysis and Syner-gerics of Catalysis in Nanosystems. New York: Nova Bi-omedical Books. 2008. 163 p.
Auad M.L., Mosiewicki M.A., Usunpinar C., Williams R.J.J. Functionalization of carbon nanotubes and carbon nanofibers used in epoxy/amine matrices that avoid parti-tioning of the monomer at the fiber interphase. Polymer Eng. Sci. 2010. N 1. P. 183-190. DOI: 10.2002/pen.
Thakre P.R., Bisrat Y., Lagoudas D.C. Electrical and mechanical properties of carbon nanotube-epoxy nano-composites. J. Appl. Polymer Sci. 2010. V. 116. N 1. P. 191-202. DOI: 10/1002/app.31122.
Huang X., Wang S., Zhu M., Yang K., Jiang P., Bando Y., Gol-berg D., Zhi C. Thermally conductive, electrically insulating and melt-processabl polystyrene/boron nitride nanocomposites prepared by in situ reversible addition fragmentation chain transfer polymeri-zation. Nanotechnology. 2015. V. 26. N 1. Article number 015705. DOI: 1088/0957-448/26/1/015705.
Wang Y., Jabarin S.A. Novel preparation method for enhancing nanoparticle dispersion and barrier properties of poly(ethylene ter-ephthalate) and poly(m-xylylene adipamide). J. Appl. Polymer Sci. 2013. V. 129. N 3. P. 1455-1465. DOI: 10.1002/app.38853.
Puglia D., Valentini L., Kenny J.M. Analysis of the cure reaction of carbon nanotubes/epoxy resin composites through thermal analy-sis and Raman spectroscopy. J. Appl. Polymer Sci. 2003. V. 88. N 2. P. 452-458. DOI: 10.1002/app.11745.
Xie H., Liu B., Yuan Z., Shen J., Cheng R. Cure kinetics of carbon nanotube/tetrafunctional epoxy nanocomposites by isothermal dif-ferential scanning calorimetry. J. Polymer Sci.: Part B: Polymer Phys. 2004. V. 42. N 20. P. 3701-3712. DOI: 10.1002/pobl.20220.
Tao K., Yang S., Grunlan J.S., Kim Y.-S., Dang B., Deng Y., Thomas R.L., Wilson B.L., Wei X. Effect of carbon nanotube fibers on the curing process of epoxy resin-based composites. J. Appl. Polymer Sci. 2006. V. 102. N 6. P. 5248-5254. DOI: 10.1002/app.24773.
Tyan H.-L., Liu Y.-Ch., Wei K.H. Enhancement of imidization of poly(amic acid) through forming poly(amic acid)/organoclay nano-composites. Polymer. 1999. V. 40. N 20. P. 4877-4886. DOI: 10.1016/S0032-3861(98)00716-2.
Kozlov G.V., Bashorov M.T., Mikitaev A.K., Zaikov G.E. Tran-sition nanoreactor-nanoparticle in curing process of epoxy polymers. J. Balkan Tribolog. Associat. 2008. V. 14. N 2. P. 215-220.
Kozlov G.V., Shustov G.B., Zaikov G.E. The fractal analysis of copolymerization processes. J. Appl. Polymer Sci. 2009. V. 111. N 6. P. 3026-3030. DOI: 10.1002/app.29334.
Kozlov G.V., Shustov G.B., Zaikov G.E. The fractal and scaling analysis of chemical reactions. J. Appl. Polymer Sci. 2004. V. 93. N 5. P. 2343-2347. DOI: 10.1002/app.20715.
Naphadzokova L.K., Kozlov G.V., Zaikov G.E. Role of diffusion processes in a model reaction of reesterification. J. Appl. Polymer Sci. 2007. V. 105. N 5. P. 2837-2840. DOI: 10.1002/app.25992.
Magomedov G.M., Kozlov G.V., Zaikov G.E. Structure and Properties of Cross-Linked Polymers. Shawbury: A Smithers Group Company. 2011. 492 p.
Bobryshev A.N., Kozomazov V.N., Babin L.O., Solo-matov V.I. Synergetics of composite materials. Lipetsk: NPO ORIUS. 1994. 154 p. (in Russian).
Gao Y., Chen H., Ge J., Zhao J., Li Q., Tang J., Cui Y., Chen L. Direct Intertube Cross-Linking of Carbon Nanotubes at Room Tem-perature. Nano Letters. V. 16. N 10. P. 6541-6547. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03184.
Mikitaev A.K., Kozlov G.V., Zaikov G.E. Polymer Nanocomposites: Variety of Structural Forms and Appli-cations. New York: Science Publishers, Inc. 2008. 319 p.
Chhowalla M., Shin H.S., Eda G., Li L.-J., Loh K.P., Zhang H. The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets. Nature Chem. 2013. V. 5. N 4. P. 263-275. DOI: 10.1038/nchem1589.
Nafadzokova L.Kh., Kozlov G.V., Ligidov M.Kh., Pakhomov S.I. The strange (anomalous) diffusion as method of regulation of chemical reactions kinetics. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2008. V. 51. N 9. P. 79-81 (in Russian).
Kozlov G.V., Mikitaev A.K., Zaikov G.E. The fractal physics of polymer synthesis. Toronto, New Jersey: Ap-ple Academic Press. 2014. 359 p.
