ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВА ФОРМИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ ПОЛИМЕР/УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
Аннотация
Используемые в настоящее время многочисленные методы обработки полимерных нанокомпозитов определяют разные условия переработки и свойства конечного продукта. Аналитически условия обработки указанных наноматериалов можно описать в рамках фрактального анализа использованием размерности (фрактальной или евклидовой) пространства, которое реализуется для расплава нанокомпозита при данном методе обработки. В свою очередь, указанная размерность пространства определяет структуру нанонаполнителя в полимерной матрице, которая является единственным фактором, контролирующим свойства конечных наноматериалов при прочих фиксированных характеристиках. Было обнаружено, что размерность пространства формирования структуры нанонаполнителя равна размерности каркаса частиц (агрегатов частиц) нанонаполнителя, т.е. в рассматриваемом случае – агрегатов углеродных нанотрубок. Показано, что повышение указанной размерности приводит к увеличению фрактальной размерности агрегатов нанонаполнителя, что дает положительный эффект для свойств конечных нанокомпозитов. Повышение фрактальной размерности матричного полимера также приводит к увеличению размерности каркаса углеродных нанотрубок, которая характеризует наиболее важный для нанокомпозитов отрицательный эффект, а именно, агрегацию частиц исходного нанонаполнителя. Показано, что увеличение размерности агрегатов (кольцеобразных формирований) углеродных нанотрубок приводит к повышению относительной доли межфазных областей в нанокомпозите, которые служат таким же армирующим элементом, как и собственно нанонаполнитель. Следовательно, качество нанонаполнителя как армирующего элемента структуры нанокомпозита определяется его способностью генерировать высокомодульные, межфазные области. С практической точки зрения необходима разработка методов контроля размерности каркаса частиц нанонаполнителя.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Литература
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.
Zhou W., Islam M.F., Wang H., Ho D.L., Yodh A.G., Winey K.I., Fischer J.E. Small angle neutron scattering from single-wall carbon nanotube suspensions: evidence for isolated rigid rods and rod networks. Chem. Phys. Lett. 2004. V. 384. N 1-3. P. 185-189. DOI: 10.1016/j.cplett.2003.11.106.
Chen Q., Saltiel C., Manickavasagam S., Schadler L.S., Siegel R.W., Yang H. Aggregation behavior of single-walled carbon nanotubes in dilute aqueous suspension. J. Colloid Interf. Sci. 2004. V. 280. N 1. P. 91-97. DOI: 10.1016/j.jcis.2004.07.028.
Schaefer D.W., Zhao J., Brown J.M., Anderson D.P., Tomlin D.W. Morphology of dispersed carbon single-walled nanotubes. Chem. Phys. Lett. 2003. V. 375. N 3-4. P. 369-375. DOI: 10.1016/s0009-2614(03)00867-4.
Schaefer D.W., Justice R.S. How nano are nanocomposites? Macromolecules. 2007. V. 40. N 24. P. 8501-8517. DOI: 10.1021/ma070356w.
Shaffer M.S.P., Windle A.H. Analogies between polymer solutions and carbon nanotube dispersions. Macromolecules. 1999. V. 32. N 20. P. 6864-6866. DOI: 10.1021/ma990095t.
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.
Vilgis T.A. Flory theory of polymeric fractals – intersection, saturation and condensation. Physica A. 1988. V. 153. N 2. P. 341-354. DOI: 10.1016/0378-4371(88)90228-2.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. Structural model of efficiency of covalent functionalization of carbon nanotubes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 10. P. 118-123 (in Rus-sian). DOI: 10.6060/ivkkt.20196210.5962.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. Fractal model of the nanofiller structure affecting the degree of rein-forcement of polyurethane-carbon nanotube nano-composites. J. Appl. Mech. Techn. Phys. 2019. V. 50. N 3. P. 508-510. DOI: 10.1134/s002189441803015x.
Hentschel H.G.E., Deutch J.M. Flory – type approximation for the fractal dimension of cluster-cluster aggregates. Phys. Rev. A. 1984. V. 29. N 3. P. 1609-1611. DOI: 10.1103/PhysRevA.29.1609.
Tokuyama M., Kawasaki K. Fractal dimensions for diffusion-limited aggregation. Phys. Lett. 1984. V. 100A. N 7. P. 337-340. DOI: 10.1016/0375-9601(84)91083-1.
Kozlov G.V., Yanovskii Yu.G. Fractal mechanics of polymers. Chemistry and Physics of complex polymeric materials. Toronto, New Jersey: Apple Acad. Press. 2015. 370 p. DOI: 10.1201/b17730.
Gao J., Itkis M.E., Bekyarova Yu.A., Zhao B., Haddon R.S. Continuous spinning of a single-walled carbon nano-tube-nylon composite fiber. J. Amer. Chem. Soc. 2005. V. 127. N 11. P. 3847-3854. DOI: 10.18720/MPM.3222017-1.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. Structural interpretation of variation in properties of polymer/carbon nanotube nanocomposites near the nanofiller percolation threshold. Technic. Phys. 2019. V. 64. N 10. P. 1501-1505. DOI: 10.1134/s1063784219100128.
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 5. P. 11583-11591. DOI: 10.1021/acsami.Sb02552.
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. Nanomech. Sci. Techn. 2012. V. 3. N 2. P. 99-127. DOI: 10.1615/NanomechanicsSci.Technol.Intern.J.v.3.i.2.10.
Paul D.R., Robeson L.M. Polymer nanotechnology: nano-composites. Polymer. 2008. V. 49. N 18. P. 3187-3204. DOI: 10.1016/j.polymer.2008.04.017.
Mikitaev A.K., Kozlov G.V., Zaikov G.E. Polymer nano-composites: variety of structural forms and applications. New York: Science Publ., Inc. 2008. 319 p.
Kim H., Miura Y., Macosko C.W. Graphene/polyurethane nanocomposites for improved gas barrier and electrical conductivity. Chem. Mater. 2010. V. 22. N 11. P. 3441-3450. DOI: 10.1021/cm100477v.
