МОДЕЛИРОВАНИЕ СТЕПЕНИ УСИЛЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТОВ ЭЛАСТОМЕР/2D-НАНОНАПОЛНИТЕЛЬ
Аннотация
В представленном материале предложено три схемы моделирования степени усиления нанокомпозитов полимер/2D-нанонаполнитель с эластомерной матрицей, принципиально отличающихся от используемых ранее. Эти схемы не используют номинальных характеристик нанонаполнителя (его модуля упругости, степени анизотропии), а позволяют получить реальные (эффективные) величины этих параметров. Показано, что модуль упругости агрегатов 2D-нанонаполнителя в полимерной матрице нанокомпозита является функцией жесткости указанной матрицы. Другая аналогичная модель предполагает зависимость модуля упругости 2D-нанонаполнителя от степени его агрегации в полимерной матрице, выраженную числом отдельных пластин нанонаполнителя на один агрегат («пачку» или тактоид). Сочетание этих подходов позволяет прогнозировать реальную степень анизотропии нанонаполнителя и далее степень усиления нанокомпозита. Еще одна схема использует структуру агрегатов нанонаполнителя, которая характеризуется ее фрактальной размерностью, для моделирования степени усиления нанокомпозитов. Полученный реальный модуль упругости 2D-нанонаполнителя на пять порядков величины ниже его номинального значения. Применение реальных (эффективных) характеристик нанонаполнителя позволяет достаточно точно моделировать степень усиления нанокомпозита в рамках простого правила смесей. Нанокомпозиты эластомер/2D-нанонаполнитель являются достаточно консервативными системами, для которых реальная степень анизотропии и структура агрегатов нанонаполнителя не зависят от его содержания. Это обстоятельство заметно упрощает прогнозирование механических свойств этих нанокомпозитов с достаточно высокой точностью порядка пяти процентов. Также в представленном материале подтверждено, что для рассматриваемых нанокомпозитов полимер/2D-нанонаполнитель с эластомерной матрицей, представляющих собой достаточно консервативные системы, химической функционализации нанонаполнителя не происходит.
Литература
Stankovich S., Dikin D.A., Dommett G.H.B., Kohlhaas K.M., Zimney E.J., Stach E.A., Piner R.D., Nguen S.T., Ruoff R.S. Graphene-based composite materials. Nature. 2006. V. 442. N 7100. P. 282-286. DOI: 10.1038/nature04969.
Liang J., Xu Y., Huang Y., Zhang L., Wang Y., Ma Y., Li F., Guo T., Chen Y. Infrared-triggered actuators from graphene-based nanocomposites. J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. N 22. P. 9921-9927. DOI: 10.1021/jp901284d.
Ni Y., Chen L., Teng K., Shi J., Qian X., Xu Z., Tian X., Hu C., Ma M. Superior mechanical properties of epoxy composites reinforced by 3D interconnected graphene skeleton. ACS Appl. Mater. Interf. 2015. V. 7. N 23. P. 11583-11591. DOI: 10.1021/acsami.Sb02552.
Puertolas J.A., Castro M., Morris J.A., Rios R., Anson-Casaos A. Tribological and mechanical properties of gra-phene nanoplatelet/PEEK composites. Carbon. 2019. V. 141. N 1. P. 107-122. DOI: org/j.carbon.2018.09.036
Kim H., Abdala A.A., Macosko C.W. Graphene/polymer nano-composites. Macromolecules. 2010. V. 43. N 16. P. 6515-6530. DOI: 10.1021/ma100572e.
Bazhirov T.S., Dauletiyarov M.S., Bazhirov N.S., Serikbayev B.E., Bazhirova K.N. Physical and chemical studies of slag of production of low-carbon ferrochrome - component of heat-resistant binder material. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. [Russ. J. Chem. Chem. Tech.]. 2020. V. 63. N 6. P. 58-64 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206306.6135.
Kurmangalieva A.I., Anikanova L.A., Volkova O.V., Kudyakov A.I., Sarkisov Yu.S., Abzaev Yu.A. Activation of hardening processes of fluorogypsum compositions by chemical additives of sodium salts. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. [Russ. J. Chem. & Chem. Tech.]. 2020. V. 63. N 8. P. 73-80. DOI: 10.6060/ivkkt.20206308.6137.
Xu Y., Hong W., Bai H., Li C., Shi G. Strong and ductile poly(vinyl alcohol)/graphene oxide composite films with a layered structure. Carbon. 2009. V. 47. N 15. P. 3538-3543. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.08.022.
Rafiee M.A., Rafiee J., Wang Z., Song H., Yu Z.-Z., Koratkar N. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano. 2009. V. 3. N 12. P. 3884-3890. DOI: 10.1021/nn9010472.
Zhao X., Zhang Q., Chen D., Lu P. Enhanced mechanical properties of graphene-based poly(vinyl alcohol) composites. Macromolecules. 2010. V. 43. N 5. P. 2357-2363. DOI: 10.1021/ma902862u.
Zhang Y., Zhu Y., Lin G., Ruoff R.S., Hu N., Schaefer D.W., Mark J.E. What factors control the mechanical properties of poly(dimethylsiloxane) reinforced with nanosheets of 3-aminopropyltriethoxysilane modified graphene oxide? Polymer. 2013. V. 54. N 18. P. 3605-3611. DOI: org/10.1013/j.polymer.2013.04.057.
Khan U., May P., O’Neill A., Coleman J.N. Development of stiff, strong, yet tough composites by the addition of solvent exfoliated graphene to polyurethane. Carbon. 2010. V. 48. N 14. P. 4035-4041. DOI: 10.1016/jcarbon.2010.07.008.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. The fractal model of mechanical stress transfer in nanocomposites polyurethane/carbon nanotubes. Lett. Mater. 2018. V. 8. N 1. P. 77-80 (in Rus-sian). DOI: 10.22226/2410-3535-2018-1-77-80.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. Aggregation of nanofiller in polymer/carbon nanotube composites. J. Appl. Mech. Techn. Phys. 2020. V. 61. N 2. Chap. 12. DOI: 10.1134/S0021894420020121.
Mikitaev A.K., Kozlov G.V., Zaikov G.E. Polymer nanocomposites: variety of structural forms and applications. New York: Science Publishers, Inc. 2008. 319 p.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. Application of the mixtures rule for description of the elastic modulus of the polymer nanocomposites. Nano- Mikrosist. Tekhn. 2018. V. 20. N 8. P. 466-474 (in Russian). DOI: 10.17587/nmst.20.466-474.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. Efficiency of the graphene as a reinforcing element of the structure of the polymer nano-composites. Nano- Mikrosist. Tekhnika. 2019. V. 21. N 4. P. 217-222 (in Russian). DOI: 10.17587/nmst.21.217-222.
Kozlov G.V., Rizvanova P.G., Dolbin I.V., Magomedov G.M. Elastic modulus of nanofiller in polymer-matrix composites. Russ. Phys. J. 2019. V. 62. N 1. P. 127-131. DOI: 10.1007/s11182-019-01692-1.
Schaefer D.W., Justice R.S. How nano are nanocomposites? Macromolecules. 2007. V. 40. N 24. P. 8501-8517. DOI: 10.1021/ma070356w.
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.
Mandelbrot B.B. The fractal geometry of nature. San Francisco: W.H. Freeman. 1982. 396 p.
Fornes T.D., Paul D.R. Modeling properties on nylon 6/clay nano-composites using composite theories. Polymer. 2003. V. 44. N 22. P. 4993-5013. DOI: 10.1016/S0032-3861(03)00471-3.
Rizvanova P.G., Magomedov G.M., Kozlov G.V., Dolbin I.V. Local and spatial structure of nanofiller in polymer matrix and its influence on the properties of nanocomposites. Inorganic Mater: Appl. Res. 2020. V. 11. N 3. P. 665-668. DOI: 10.1134/S2075113320030387.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. Structural model of efficiency of covalent functionalization of carbon nanotubes. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. N 10. P. 118-123 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20196210.5962.
Aharoni S.M. On entanglements of flexible and rodlike polymers. Macromolecules. 1983. V. 16. N 9. P. 1722-1728.
Wu S. Chain structure and entanglement. J. Polymer Sci.: Part B: Polymer Phys. 1989. V. 27. N 4. P. 723-741.
