СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОВАЛЕНТНОЙ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Аннотация
Функционализация углеродных нанотрубок (ковалентная и нековалентная) является эффективным и часто применяемым методом повышения их взаимодействия с полимерной матрицей нанокомпозитов. В настоящей работе предложена трактовка, впервые позволившая количественную оценку эффективности (качества) функционализации этого нанонаполнителя. Для этой цели использована предложенная ранее обобщенная модель, учитывающая характеристики матричного полимера и нанонаполнителя, а также тип последнего. Применение указанной модели позволяет получить количественную характеристику эффективности функционализации, а также выяснение взаимосвязи указанной эффективности со структурой углеродных нанотрубок в полимерной матрице нанокомпозита, а именно, радиусом их кольцеобразных структур. Обнаружено, что один и тот же с химической точки зрения метод функционализации может изменять свою эффективность в 20 раз в зависимости от структуры (радиуса) кольцеобразных формирований углеродных нанотрубок. Более точной характеристикой этих формирований является их удельная поверхность. Эта поверхность служит индикатором интенсивности контакта полимерной матрицы и поверхности нанотрубок, который в конечном итоге формирует механические и другие свойства рассматриваемых нанокомпозитов. Получено уравнение, показывающее зависимость эффективности функционализации от двух параметров: эффективной удельной поверхности и содержания углеродных нанотрубок. При достижении порога перколяции нанонаполнителя происходит резкое дискретное снижение эффективности функционализации. Это означает, что функционализация локальных структур углеродных нанотрубок более эффективна, чем непрерывных структур этого нанонаполнителя. Наиболее важное механическое свойство полимерных нанокомпозитов, а именно, степень усиления, однозначно определяется эффективностью функционализации. Такой подход позволяет структурное прогнозирование механических свойств нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки в зависимости от эффективности функционализации нанонаполнителя.
Литература
Moniruzzaman M., Winey K.I. Polymer nanocomposites containing carbon nanotubes. Macromolecules. 2006. V. 39. N 16. P. 5194-5205. DOI: 10.1021/ma060733p
Mikitaev A.K., Kozlov G.V., Zaikov G.E. Polymer nano-composites: variety of structural forms and applications. New York: Science Publishers, Inc. 2008. 319 p.
Mylvaganam K., Zhang L.C. Chemical bonding in polyethylene-nanotube composites: a quantum mechanics prediction. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. N 17. P. 5217-5220. DOI: 10.1021/jp037619i.
Liu L., Etika K.C., Liao K.-S., Hess L.A., Bergbreiter D.E., Grunlan J.C. Comparison of covalently and noncovalently functionalized carbon nanotubes in epoxy. Macromol. Rapid Commun. 2008. V. 33. N 3. P. 627-632. DOI: 10.1002/marc.200800778.
Supova M., Martynkova G.S., Barabaszova K. Effect of nanofiller dispersion in polymer matrices: a review. Sci. Adv. Mater. 2001. V. 3. N 1. P. 1-25. DOI: 10.1166/sam.2011.1136.
Sun X., Sun H., Li H., Peng H. Developing polymer composite materials: carbon nanotubes or grapheme? Adv. Mater. 2013. V. 25. N 37. P. 5153-5177. DOI: 10.1002/adma201301926.
Schaefer D.W., Zhao J., Dowty H., Alexander M., Orler E.B. Carbon Nanofibre reinforcement of soft materials. Soft Matter. 2008. V. 4. N 10. P. 2071-2079. DOI: 10.1039/b805314f.
Blond D., Barron V., Ruether M., Ryan K.P., Nicolosi V., Blau W.J., Coleman J.N. Enhancement of modulus, strength, and toughness in poly(methyl methacrylate)-based composites by the incorporation of poly(methyl methacrylate)-functionalized nanotubes. Adv. Funct. Mater. 2006. V. 16. N 6. P. 1608-1614. DOI: 10.1002/adfm.200500855.
Omidi M., Rokni H., Milani A.S., Seethaler R.J., Arasten R. Prediction of the mechanical characteristics of multiwalled carbon nanotube/epoxy composites using a new form of the rule of mixtures. Carbon. 2010. V. 48. N 11. P. 3218-3228. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.05.007.
Zhirikova Z.M., Kozlov G.V., Aloev V.Z. Nanocomposite polymer/carbon nanotube: the prediction of reinforcement degree. Nanoindustriya. 2012. N 3. P. 38-41 (in Russian).
Жирикова З.М., Козлов Г.В., Алоев В.З. Нанокомпозит полимер/углеродные нанотрубки: прогнозирование степени усиления. Наноиндустрия. 2012. № 3. С. 38-41.
Yakh’yaeva Kh.Sh., Kozlov G.V., Magomedov G.M. The role of the nanofiller surface in the reinforcement of nanocomposite polymer-carbon nanotubes. J. Surface Investigat. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2015. V. 9. N 3. P. 468-470. DOI: 10.1134/S1027451015030143.
Mikitaev A.K., Kozlov G.V. Description of the degree of reinforcement of polymer/carbon nanotube nanocomposites in the framework of percolation models. Phys. Solid State. 2015. V. 57. N 5. P. 974-977. DOI: 10.1134/s1063783415050224.
Bridge B. Theoretical modeling of the critical volume fraction for percolation conductivity of fibreloaded conductive polymer composites. J. Mater. Sci. Lett. 1989. V. 8. N 2. P. 102-103. DOI: 10.1007/BF00720265.
Zhongcan O.-Y., Su Z.-B., Wang C.-L. Coil formation in multishell carbon nanotubes: competition between curvature elasticity and interlayer adhesion. Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. N 21. P. 4055-4058. DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.4055.
Schaefer D.W., Justice R.S. How nano are nanocomposites? Macromolecules. 2007. V. 40. N 24. P. 8501-8517. DOI: 10.1021/ma070356w.
Mikitaev A.K., Kozlov G.V. Dependence of the degree of reinforcement of polymer/carbon nanotubes nanocomposites on the nanofiller dimension. Dokl. Phys. 2015. V. 60. N 5. P. 203-206. DOI: 10.1134/s102833505002x.
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. Techn. An Intern. J. 2012. V. 3. N 2. P. 99-124. DOI: 10.1615/NanomechanicsSciTechnol.Int.J.v.3.i.2.10.
Peigney A., Laurent C., Flahaut E., Bacsa R., Rousset A. Specific surface area of carbon nanotubes and bundles of carbon nanotubes. Carbon. 2001. V. 39. N 4. P. 507-514. DOI: 10.1016/s0008-6223(00)00155-x.
Jang B.Z., Zhamu A. Processing of nanographene platelets (NGPs) and NGP nanocomposites: a review. J. Mater. Sci. 2008. V. 43. N 22. P. 5092-5101. DOI: 10.1007/s10823-008-2755-2.
Kozlov G.V., Mikitaev A.K., Zaikov G.E. The fractal physics of polymer synthesis. Toronto, New Jersey: Apple Academic Press. 2014. 359 p.
