ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, ПОЛУЧЕННЫХ СВЧ-СИНТЕЗОМ, ДЛЯ КОМПОЗИТНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ С ЭФФЕКТОМ САМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Аннотация
В статье представлены исследования углеродных нанотрубок (УНТ), синтезированных СВЧ методом, которые предназначены для создания функциональных композитов - обладающих эффектом саморегулирования температуры. СВЧ технология позволяет синтезировать УНТ, которые отличаются по морфологическим характеристикам, а также наличием металлизации поверхности УНТ. Для синтеза УНТ использованы различные соотношения состава на основе графита и ферроцена. Полученные образцы УНТ охарактеризованы методами КР спектроскопии, СЭМ и рентгеноструктурного анализа. Показано, что в результате сочетаний ферроцена и графита в соотношении 3:1; 4:1; 5:1 и 6:1 формируется различная морфологическая структура УНТ, которая обладает высоким уровнем разнообразия и позволяет проводить эффективную модификацию эластичных матриц с приданием композиту электропроводящих свойств. Диаметр УНТ находится в диапазоне от 30 до 60 нм, и при этом на поверхности УНТ, полученных при синтезе с соотношением ферроцена к графиту 6:1, присутствуют частицы когенита Fe3C. Металлизация поверхностного слоя УНТ существенным образом улучшает теплофизические характеристики (теплопроводность и температуропроводность) как самих УНТ, так и получаемых на их основе композитов, что влияет на их тепловыделения и позволяет работать с более высокими значениями температуры саморегулирования при том же значении питающего напряжения. Для синтеза характерна мощность СВЧ установки 700 Вт. СВЧ синтез является быстрым методом получения УНТ (время синтеза 10 с) и может быть использован для направленного синтеза УНТ, которые предназначены для модификации полимеров и создания проводящих композитов, которые могут быть основой электронагревателей с эффектом саморегулирования температуры.
Для цитирования:
Щегольков А.В., Орлова Н.В., Щегольков А.В., Чумак М.А. Исследование морфологии углеродных нанотрубок, полученных СВЧ-синтезом, для композитного электронагревателя с эффектом саморегулирования температуры. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 2. С. 70-78. DOI: 10.6060/ivkkt.20256802.7157.
Литература
Avdeychik S., Goldade V., Struk V. The phenomenon of nanostate in material science of functional compo-sites based on industrial polymers. Theor. Appl. Sci. 2020. N 7. P. 101-107. DOI: 10.15863/TAS.2020.07.87.25.
Hanemann T., Dorothée V.S. Polymer-Nanoparticle Composites: From Synthesis to Modern Applications. Materials. 2010. N 6. P. 3468-3517. DOI: 10.3390/ma3063468.
Mamunya E.P., Davidenko V.V., Lebedev E.V. Percolation conductivity of polymer composites filled with dispersed conductive filler. Polym. Compos. 1995. 16(4). P. 319–324. DOI: 10.1002/pc.750160409.
Shchegolkov A.V., Shchegolkov A.V., Zemtsova N.V., Vetcher A.A., Stanishevskiy Y.M. Properties of Orga-nosilicon Elastomers Modified with Multilayer Carbon Nanotubes and Metallic (Cu or Ni) Microparticles. Pol-ymers. 2024. N 6. P. 774. DOI: 10.3390/polym16060774.
Gacem A., Modi S., Yadav V. K., Islam S., Patel A. D., Vinars J., Mohammed I., Gajendra K., Piplode S., Solanki V. S., Basnet A. Recent Advances in Methods for Synthesis of Carbon Nanotubes and Carbon Nano-composite and their Emerging Applications. J. Nano-mater. 2022. P. 7238602. DOI: 10.1155/2022/7238602.
Alhakeem M.R.H. Carbon Nanotube (CNT) Composites and its Application; A Review. Brilliance. Res. Ar-tif. Intell. 2022. 2(3). P. 134-144. DOI: 10.47709/brilliance.v2i3.1692.
Li J., Takeuchi A., Ozawa M., Li X., Saigo K., Kitazawa K. C60 fullerol formation catalysed by qua-ternary ammonium hydroxides. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1993. 23. P. 1784. DOI: 10.1039/c39930001784.
Jiménez-Suárez A., Prolongo S.G. Graphene Nano-platelets. Appl. Sci. 2020. 10. P. 1753. DOI: 10.3390/app10051753.
Taha Z.T., Ádámné A.M. A Review on MWCNTS: the effect of its addition on the polymer matrix. Gradus. 2023. V. 10. N 1. DOI: 10.47833/2023.1.ENG.012.
Wang K., Wang F., Jiang Q., Zhu P., Leu K., Zhang R. Controlled synthesis, properties, and applications of ultralong carbon nanotubes. Nanoscale Adv. 2024. V. 6. P. 4504-4521. DOI: 10.1039/d4na00437j.
Tambraparni M., Wang S. Separation of Metallic and Semiconducting Carbon Nanotubes. Pat. Nanotechnol. 2010. 4(1). P. 1–9. DOI: 10.2174/18722101079071208.
Piyush K.S, Narvdeshwar, Pawan K.G. Chapter 5 - Characteristics of carbon nanotubes and their nano-composites. Ed. by Sabu Thomas, Nandakumar Kalarikkal, Ann Rose Abraham. In: Micro and Nano Technologies, Fundam. and Properties of Multifunc-tional Nanomaterials. 2021. P. 99-118. DOI: 10.1016/B978-0-12-822352-9.00011-0.
Nah C., Lim J.Y., Cho B.H., Hong C.K., Gent A.N. Reinforcing rubber with carbon nanotubes. J. Appl. Polymer Sci. 2010. V. 118. N 3. P. 1574-1581. DOI: 10.1002/ app.32524.
Kostagiannakopoulou C., Fiamegkou E., Sotiriadis G., Kostopoulos V. Thermal Conductivity of Carbon Nanoreinforced Epoxy Composites. J. Nanomater. 2016. P. 1847325. DOI: 10.1155/2016/1847325.
Salah L.S., Ouslimani N., Bousba D., Huynen I., Danlée Y., Aksas H. Carbon Nanotubes (CNTs) from Synthesis to Functionalized (CNTs) Using Conventional and New Chemical Approaches. J. Nanomater. 2021. P. 4972770. DOI: 10.1155/2021/4972770.
Manawi Y.M., Ihsanullah A.S., Al-Ansari T., Muataz A.A. A Review of Carbon Nanomaterials’ Synthesis via the Chemical Vapor Deposition (CVD) Method. Mate-rials. 2018. N 5. P. 822. DOI: 10.3390/ma11050822.
Truus K., Volobujeva O., Kaupmees R., Tamm A., Rähn M., Raid R., Koppel K., Tuvikene R. Recent advances of carbon nanotubes synthesis by the electric arc technique using atomized platinum-group metal catalysts. Mater. Sci. Eng.: B. 2024.V. 300. P. 117121, DOI: 10.1016/j.mseb.2023.117121.
Braidy N., Khakani M.A. El., Botton G.A. Single-wall carbon nanotubes synthesis by means of UV laser va-porization. Chem. Phys. Lett. 2002. V. 354. P. 88-92. DOI: 10.1016/S0009-2614(02)00110-0.
Varadan V.K., Xie J. Synthesis of carbon nanocoils by microwave CVD. Smart Mater. Struct. 2002. V. 11. N 5. P. 728-734. DOI: 10.1088/0964-1726/11/5/316.
Zaritovskii A.N., Kotenko E.N., Grishchuk S.V. Production of carbon nanostructures from polymeric materials. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 5. P. 99-106 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246705.6957.
Öncel Ç., Yürüm Y. Carbon Nanotube Synthesis via the Catalytic CVD Method: A Review on the Effect of Reaction Parameters. Fuller. Nanotub. Carbon Nanostructures. 2006. 14(1). P. 17–37. DOI: 10.1080/15363830500538441.
Alexandrescu R., Crunteanu A., Morjan R.-E, Morjan I., Rohmund F., Falk L.K.L, Ledoux G., Huisken F. Synthesis of carbon nanotubes by CO2-laser-assisted chemical vapour deposition. Infrared Phys. Technol. 2003. V. 44. P. 43-50. DOI: 10.1016/S1350-4495(02)00158-5.
Nie H., Cui M., Russell T.P. A route to rapid carbon nanotube growth. Chem. Commun. 2013. 49(45). P. 5159. DOI: 10.1039/c3cc41746h.
Algadri N. A., Ibrahim K., Hassan Z., Bououdina M. Cost-effective single-step carbon nanotube synthesis using microwave oven. Mat. Res. Express. 2017. 4(8). P. 085602. DOI: 10.1088/2053-1591/aa817b.
Fang S., Wang R., Ni H., Liu H., Liu L. A review of flexible electric heating elements and electrically heated clothing. J. of Industrial Textiles. 2022. P. 101-136. DOI: 10.1177/1528083720968278.
Shchegolkov A.V. Comparative analysis of thermal effects in elastomers modified with MWCNTs at constant electric voltage. Vector Nauki Tolyat. Gos. Univ. 2021. N 1. P. 63-73 (in Russian). DOI: 10.18323/2073-5073-2021-1-63-73.
Zhou C., Zhang Y., Cen F., Yu X., Zhou W., Jiang S., Yu Y. Polymer positive temperature coefficient compo-sites with room-temperature Curie point and superior flexibility for self-regulating heating devices. Polymer. 2022. V. 265. P. 125587. DOI: 10.1016/j.polymer.2022.125587.
Liu Y., Asare E., Porwal H., Barbieri E., Goutianos S., Evans J., Newton M., Busfield J.J.C., Peijs T., Zhang H., Bilotti E. The effect of conductive network on positive temperature coefficient behaviour in conductive polymer composites. Compos. Part a Appl. Sci. Manufact. 2020. V. 139. P. 106074. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.106074.
Das B., Yu X., Wang Y., Porwal H., Evans J., New-ton M., Papageorgiou, D., Zhang H., Bilotti E. High temperature copolyester thermoplastic elastomer nano-composites for flexible self-regulating heating devices. Mater. Des. 2024. V. 242. P. 113000. DOI: 10.1016/j.matdes.2024.113000.
Asare E., Evans J., Newton M., Peijs T., Bilotti E. Effect of particle size and shape on positive temperature coefficient (PTC) of conductive polymer composites (CPC) — a model study. Mater. Des. 2016. 97. P. 459–463. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.02.077.
Wang Y., Das B., Thorn T.D.S., Huo S., Evans J., Newton M., Liu Y., Advani S.G., Papageorgiou D.G., Bilotti E., Zhang H. Towards highly homogeneous self-regulating heating of smart nanocomposites. Appl. Mater. Today. 2024. 39. P. 102292. DOI: 10.1016/j.apmt.2024.102292.
Shchegolkov A.V., Shchegolkov A.V., Chumak M.A. Synthesis of carbon nanotubes using microwave radiation for elastomer modification with improved electrical and thermal conductivity. Perspectiv. Materialy. 2024. N 4. P. 54-65 (in Russian). DOI: 10.30791/1028-978X-2024-4-54-65.
Nie H., Cui M., Russell T.P. A route to rapid carbon nanotube growth. Chem. Commun. 2013. 49(45). P. 5159. DOI: 10.1039/c3cc41746h.
Liu Z., Wang J., Kushvaha V., Poyraz S., Tippur H., Park S., Zhang X. Poptube approach for ultrafast car-bon nanotube growth. Chem. Commun. 2011. 47(35). P. 9912. DOI: 10.1039/c1cc13359d.
Reeti B., Hanoch D.W. Fast growth of carbon nano-tubes using a microwave oven. Carbon. 2015. V. 82. P. 327-336. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.10.077.
Mamunya Y.P., Davydenko V.V., Pissis P., Lebedev E.V. Electrical and thermal conductivity of polymers filled with metal powders. Eur. Polym. J. 2002. V. 38. N 9. P. 1887–1897. DOI: 10.1016/s0014-3057(02)00064-2.
Kozlov G.V., Dolbin I.V. Influence of the formation space on the structureand properties of polymer/carbon nanotube nanocomposites. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 65. N 1. P. 99-106 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246705.6957.
