ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ МОКРОГО ФОРМОВАНИЯ И ПОСТОБРАБОТКИ ВОЛОКОН НА ОСНОВЕ ДЛИННОМЕРНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА НА СВОЙСТВА ПОЛУЧАЕМЫХ ПРОДУКТОВ
Аннотация
Волокна и пленки на основе нетоксичного, биосовместимого и биоразлагаемого поливинилового спирта (ПВС) и углеродных нанотрубок (УНТ) находят широкое применение для изготовления различных миниатюрных устройств, таких как химические сенсоры, датчики движения, функциональные элементы одежды и др., при этом транспортные свойства полимерного композиционного материала, лежащие в основе работы данных устройств, существенно зависят от аспектного отношения углеродного наполнителя. В работе изучено влияние условий мокрого формования и постобработки методом высокотемпературной зонной вытяжки (ВЗВ) и термопластификационной вытяжки на свойства волокон на основе ПВС и длинномерных УНТ, характеризующихся многомиллионным аспектным отношением. Установлено, что для получения непрерывного и равномерного гель-волокна на основе ПВС углеродные нанотрубки должны быть предварительно функционализированы кислородсодержащими группами, например, с использованием окисления в паровоздушной атмосфере при умеренных температурах. Показано, что и условия формования гель-волокна, и стадия ВЗВ влияют на удельную электропроводность получаемого волокна. При этом как с увеличением скорости приема гель-волокна, так и с использованием высокотемпературной зонной вытяжки, электропроводность волокна может повышаться более, чем на два порядка. Увеличение удельной электропроводности может быть связано как с образованием дополнительных контактов УНТ в процессе уменьшения диаметров гель- и ВЗВ-волокон, так и с понижением содержания в них воды. Показано, что сушка при комнатной температуре приводит к незначительному повышению прочности на разрыв гель-волокна на основе ПВС и УНТ, тогда как ВЗВ при температурах, близких к температуре плавления полимерной матрицы, позволяет повысить прочность на разрыв волокна более, чем на 2 порядка. При этом ВЗВ приводит не просто к уменьшению диаметра волокна, но и к его структурному упрочнению, которое может быть связано с ориентационным эффектом молекул ПВС с одновременным упорядочением УНТ вдоль волокна и образованием новых связей, как ковалентных и водородных, так и дисперсионных. Дополнительная стадия ВЗВ с использованием пластификатора позволяет получать водонерастворимые волокна на основе ПВС и длинномерных УНТ с прочностью на разрыв, превышающей 1600 МПа.
Для цитирования:
Хасков М.А., Караева А.Р., Мордкович В.З. Влияние условий мокрого формования и постобработки волокон на основе длинномерных углеродных нанотрубок и поливинилового спирта на свойства получаемых продуктов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 9. С. 115-125. DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.13y.
Литература
Khaskov M.A., Karaeva А.R., Denisov V.N., Kulnitskiy B.A., Mordkovich V.Z. Physical and chemical properties of carbon nanotube-based fibrous deposit. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2013. V. 56. N 7. P. 76–79 (in Russian).
Khaskov M.A. Water sorbtion by epoxy-based nano-composites with carbon nanotubes in glassy and rubber states of polymer matrix. VIAM Proc. 2016. V. 6. N 42. P. 57-67 (in Russian). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-6-7-7.
Ovsyannikova V.S., Fufaeva M.S., Kim Y., Altunina L.K. Biodegradation in soil of polymeric materials based on polyvinyl alcohol and starch cryogels. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 126-134 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.6t.
Maity D., Rajavel K., Kumar R.T.R. Polyvinyl alcohol wrapped multiwall carbon nanotube (MWCNTs) network on fabrics for wearable room temperature ethanol sensor. Sensor. Actuat. B-Chem. 2018. V. 261. P. 297-306. DOI: 10.1016/j.snb.2018.01.152.
Wu Y., Chen A., Jiang W., Tan Z., Fu T., Xie T., Zhu, G., Zhu Y. Highly Thermally Conductive Triple-Level Ordered CNT/PVA Nanofibrous Films. Polymers. 2024. V. 16. P. 734. DOI: 10.3390/polym16060734.
Pirahmadi P., Kokabi M., Alamdarnejad G. Polyvinyl alcohol/chitosan/carbon nanotubes electroactive shape memory nanocomposite hydrogels. J. Appl. Polym. Sci. 2020. V. 38. N 11. P. e49995. DOI: 10.1002/app.49995.
Volfkovich Yu.M. Capacitive Deionization of Water (A Review). Russ. J. Electrochem. 2020. V. 56. P. 18-51. DOI: 10.1134/S1023193520010097.
Hou C.-H., Liu N.-L., Hsu H.-L., Den W. Development of multi-walled carbon nanotube/poly(vinyl alcohol) composite as electrode for capacitive deionization. Sep. Purif. Technol. 2014. V. 130. P. 7-14. DOI: 10.1016/j.seppur.2014.04.004.
Liu B., Zhang J., Guo H. Research Progress of Polyvinyl Alcohol Water-Resistant Film Materials. Membranes. 2022. V. 12. N 347. P. 1-13. DOI: 10.3390/membranes12030347.
Zhou G., Byun J.-H., Oh Y., Jung B.-M., Cha H.-J., Seong D.-G., Um M.-K., Hyun S., Chou T.-W. Highly Sensitive Wearable Textile-Based Humidity Sensor Made of High-Strength, Single-Walled Carbon Nano-tube/Poly(vinyl alcohol) Filaments. ACS Appl. Mater. In-ter. 2017. V. 9. N 5. P. 4788-4797. DOI: 10.1021/acsami.6b12448.
Tian J., Fan R., Zhang Z., Li Y., Wu H., Yang P., Xie P., Duan W., Lee C.-S. Flexible and biocompatible poly (vinyl alcohol)/multi-walled carbon nanotubes hydrogels with epsilon-nearzero properties. J. Mater. Sci. Technol. 2022. V. 131. P. 91-99. DOI: 10.1016/j.jmst.2022.05.019.
Liu X.-L., Li M., Geng W.-H., Cao W., Tian Y.-H., Li T.-Y., Bin P.-S., Qian P.-F., Geng H.-Z. Modified carbon nanotubes/polyvinyl alcohol composite electrothermal films. Surf. Interfaces. 2023. V. 36. N 6. P. 102540. DOI: 10.1016/j.surfin.2022.102540.
Yang Z., Xu D., Liu J., Liu J., Li L., Zhang L., Lv J. Fabrication and characterization of poly(vinyl alco-hol)/carbon nanotube melt-spinning composites fiber. Prog. Nat. Sci.-Mater. 2015. V. 25. N 5. P. 437-444. DOI: 10.1016/j.pnsc.2015.09.014.
Huang K., Wu Y., Liu J., Chang G., Pan X., Weng X., Wang Y., Lei M. A Double-layer Carbon Nano-tubes/Polyvinyl Alcohol Hydrogel with High Stretchability and Compressibility for Human Motion Detection. Eng. Sci. 2022. V. 17. P. 319–327. DOI: 10.30919/es8d625.
Sun Y., Hou K., Zhang D., Chang S., Ye L., Cao A., Shang Y. High performance carbon nanotube/polymer composite fibers and water-driven actuators. Compos. Sci. Technol. 2021. V. 206. P. 108676. DOI: 10.1016/j.compscitech.2021.108676.
Zhang C., Zhang Q., Zhang D., Wang M., Bo Y., Fan X., Li F., Liang J., Huang Y., Ma R., Chen Y. Highly Stretchable Carbon Nanotubes/Polymer Thermoelectric Fibers. Nano Lett. 2021. V. 21. N 2. P. 1047-1055. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04252.
Wang J., Fu R., Dong H. Carbon nanofibers and PVA fiber hybrid concrete: Abrasion and impact resistance. J. Build. Eng. 2023. V. 80. P. 107894. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.107894.
Inam F., Vo T., Jones J.P., Lee X. Effect of carbon nanotube lengths on the mechanical properties of epoxy resin: An experimental study. J. Compos. Mater. 2013. V. 47. P. 2321–2330. DOI: 10.1177/0021998312457198.
Kar K., Wong H., Zinke-Allmang M., Hutter J.L., Hrapovic S., Luong J.H.T., Wan W. The effect of car-bon nanotube aspect ratio and loading on the elastic modulus of electrospun poly(vinyl alcohol)-carbon nano-tube hybrid fibers. Carbon. 2009. V. 47. N 11. P. 2571-2578. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.05.006.
Qin Q., Zhou T., Wang M., Li L., Chen N. Structure evolution and performance of poly (vinyl alcohol) fibers with controllable cross-section fabricated using a combi-nation of melt-spinning and stretching. Polym. Test. 2023. V. 117. P. 107867. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2022.107867.
Yao J., Bastiaansen C.W.M., Peijs T. High Strength and High Modulus Electrospun Nanofibers. Fibers. 2014. V. 2. P. 158-186. DOI: 10.3390/fib2020158.
Afzal A., Jalalah M., Noor A., Khaliq Z., Qadir M.B., Masood R., Nazir A., Ahmad S., Ahmad F., Irfan M., Afzal M., Faisal M., Alsareii S.A., Harraz F.A. Development and Characterization of Drug Loaded PVA/PCL Fibres for Wound Dressing Applications. Polymers. 2023. V. 15. N 6. P. 1355. DOI: 10.3390/polym15061355.
Hong X., Zou1 L., Zhao J., Li C., Cong L. Drywet spinning of PVA fiber with high strength and high Young's modulus. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018. V. 439. P. 042011. DOI: 10.1088/1757-899X/439/4/042011.
Lai D., Wei Y., Zou L., Xu Y., Lu H. Wet spinning of PVA composite fibers with a large fraction of multi-walled carbon nanotubes. Prog. Nat. Sci.-Mater. 2015. V. 25. N 5. P. 445-452. DOI: 10.1016/j.pnsc.2015.10.003.
Fujiwara H., Shibayama M., Chen J.H., Nomura S. Preparation of high-strength poly(vinyl alcohol) fibers by crosslinking wet spinning. J. Appl. Polym. Sci. 1989. V. 37. N 5. P. 1403-1414. DOI: 10.1002/app.1989.070370522.
Chen S., Yang H., Huang K., Ge X., Yao H., Tang J., Ren J., Ren S., Ma Y. Quantitative Study on Solubility Parameters and Related Thermodynamic Parameters of PVA with Different Alcoholysis Degrees. Polymers. 2021. V. 13. N 21. P. 3778. DOI: 10.3390/polym13213778.
Vol'f L.A., Kirilenko Yu.K., Urban Z.A., Danilova E.Ya., Bukalov O.V. Imparting heat resistance to polyvinyl alcohol-based fibres. Fibre Chem. 1969. N 3. P. 15-17 (in Russian).
Mordkovich V.Z., Khaskov M.A., Naumova V.A., De V.V., Kulnitskiy B.A., Karaeva A.R. The Importance of Water for Purification of Longer Carbon Nanotubes for Nanocomposite Applications. J. Compos. Sci. 2023. V. 7. N 2. N 79. P. 1-10. DOI: 10.3390/jcs7020079.
Rafiee R., Zehtabzadeh H. Predicting the strength of carbon nanotube reinforced polymers using stochastic bottom-up modeling. Appl. Phys. A. 2020. V. 126. P. 595. DOI: 10.1007/s00339-020-03784-z.
Santos A.R., Viana J.C. The Development of a Flexible Humidity Sensor Using MWCNT/PVA Thin Films. Na-nomaterials. 2024. V. 14. N 20. 1653. DOI: 10.3390/nano14201653.
Heikens D., Bleijenberg A.C.A.M., Hoppenbrouwers J.J.M., Barentsen W.M. The influence of stretching on tensile strength and solubility of poly(vinyl alcohol) fibres. Polymer. 1971. V. 12. N 12. P. 797-801. DOI: 10.1016/0032-3861(71)90027-9.
Jose J., De S.K., AlMa'adeed M.A.-A., Bhadra J., Sreekumar P.A., Sougrat R., Al-Harthi M.A. Compati-bilizing role of carbon nanotubes in poly(vinyl alco-hol)/starch blend. Starch – Starke. 2015. V. 67. N 1-2. P. 147-153. DOI: 10.1002/star.201400074.
Zhou T., Wang M., Chen N. Study on Preparation of Triangular Melt-Spinning Poly (Vinyl Alcohol) Fibers and Its Fabric Strengthening and Toughening Epoxy. Polymers. 2021. V. 13. N 13. P. 2204. DOI: 10.3390/polym13132204.
Mohamed T.M., Attia M.S., El-Sayyad G.S., Fathy R.M., El-Batal A.I. Gamma radiation crosslinking of PVA/myrrh resin thin film for improving the postharvest time of lemon fruits. RSC Adv. 2022. V. 12. P. 5619-5628. DOI: 10.1039/d1ra09360f.
Fufaeva M. S., Altunina L.K. Cryogels to increase the service life of winter roads. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 8. P. 29-35 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246708.13t.
Cherezova E.N., Karaseva Y.S. Water-swelling rubbers filled with modified cotton powder. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 4. P. 71-78. DOI: 10.6060/ivkkt.20226504.6537.
