ПОЛУЧЕНИЕ И МОДИФИКАЦИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ВОЛОКОН НА ОСНОВЕ ДЛИННОМЕРНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Аннотация
Рассматривается возможность получения материалов нового поколения, характеризующихся высокой прочностью на разрыв и высокими значениями удельной электропроводности, посредством получения и модификации волокон на основе длинномерных углеродных нанотрубок (УНТ-волокон). Показано, что пропитка исходных УНТ волокон раствором поливинилового спирта (ПВС) в диметилсульфоксиде (ДМСО) позволяет повышать их прочность на разрыв в 2,4 раза, что, однако, сопровождается незначительными понижением их удельной электропроводности. Дополнительная вытяжка пропитанных ПВС УНТ-волокон при температурах, близких к температуре плавления термопластичной полимерной матрицы, т.е. при высокотемпературной зонной вытяжке (ВЗВ-вытяжке), позволяет увеличить их прочность на разрыв на 250% и повысить их удельную электропроводность на 18%. Выдвинуто предположение, что причиной повышений является как увеличение ориентационного и кристаллического эффектов в матрице ПВС с образованием новых ковалентных связей между УНТ и функциональными группами молекул полимера, так и возрастание числа электрических контактов между УНТ за счет уплотнения волокна. Показано, что допирование йодом исходных УНТ-волокон посредством их пропитки в водно-спиртовом растворе йода (5 мас.% I2) позволяет увеличить их электропроводность в 4 и более раз и получать волокна с удельной электропроводностью порядка 95000 См/м. Дополнительная пропитка ПВС со стадией ВЗВ-вытяжки допированных йодом УНТ-волокон позволяет повышать их прочность более чем на 100% при падении их удельной электропроводности на 35%. На основании данных спектроскопии комбинационного рассеяния выдвинуто предположение, что наблюдаемое понижение электропроводности обусловлено уменьшением концентрации (I5) фрагментов в УНТ-матрице, которые обеспечивают увеличение носителей тока в УНТ-волокне. Обработка УНТ-волокон при 2000 °С в течение 20 мин приводит к полному удалению из них остаточного железного катализатора и частичной коалесценции ненанотрубочного углерода, не приводя к существенному изменению электропроводности. Кратковременная (20 мин) обработка УНТ волокон при 2800 °С приводит к существенной коалесценции в них ненанотрубочного углерода с образованием квазисферических частиц размерами в несколько микрометров и уменьшению дефектности, что может быть использовано для их очистки.
Для цитирования:
Хасков М.А., Караева А.Р., Казеннов Н.В., Митберг Э.Б., Мордкович В.З. Получение и модификация непрерывных волокон на основе длинномерных углеродных нанотрубок. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 11. С. 111-120. DOI: 10.6060/ivkkt.20256811.21y.
Литература
Yahyazadeh A., Nanda S., Dalai A.K. Carbon Nanotubes: A Review of Synthesis Methods and Applications. Reactions. 2024. V. 5. N 3. P. 429-451. DOI: 10.3390/reactions5030022.
Edwards B.C., Wrestling E.A. The Space Elevator, San Francisco. CA: Spageo Inc. 2002. 280 p.
Khandoker N., Hawkins S.C., Ibrahim R., Huynh C.P., Deng F. Tensile Strength of Spinnable Multiwall Carbon Nanotubes. Procedia Eng. 2011. V. 10. P. 2572-2578. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.04.424.
Takakura A., Beppu K., Nishihara T., Fukui A., Kozeki T., Namazu T., Miyauchi Y., Itami K. Strength of carbon nanotubes depends on their chemical structures. Nat. Commun. 2019. V. 10. P. 3040. DOI: 10.1038/s41467-019-10959-7.
Sivasubramaniyam V., Ramasamy S., Venkatraman M., Gatto G., Kumar A. Carbon Nanotubes as an Alter-native to Copper Wires in Electrical Machines: A Review. Energies. 2023. V. 16. N 9. P. 3665. DOI: 10.3390/en16093665.
Mishkin S.I., Klimenko O.N., Gunyaeva A.G. Materials for the lightnings protection of aviation engineering. Tr. VIAM. 2023. V. 7. N 125. P. 84-92 (in Russian). DOI: 10.18577/2307-6046-2023-0-7-84-92.
Tang D., Qu R., Xiang H., HeE., Hu H., Ma Z., Liu G., Wei Y., Ji J. Highly Stretchable Composite Conductive Fibers (SCCFs) and Their Applications. Polymers. 2024. V. 16. P. 2710. DOI: 10.3390/polym16192710.
Wei L., Wang S., Shan M., Li Y., Wang Y., Wang F., Wang L., Mao J. Conductive fibers for biomedical ap-plications. Bioact. Mater. 2022. V. 22. P. 343-364. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2022.10.014.
Krifa M. Electrically Conductive Textile Materials—Application in Flexible Sensors and Antennas. Textiles. 2021. V. 1. P. 239-257. DOI: 10.3390/textiles1020012.
Joseph K.M., Kasparian H.J., Shanov V. Carbon Nano-tube Fiber-Based Wearable Supercapacitors—A Review on Recent Advances. Energies. 2022. V. 15. P. 6506. DOI: 10.3390/en15186506.
Zhang T., Han S., Guo W., Hou F., Liu J., Yan X., Chen S., Liang J. Continuous carbon nanotube composite fibers for flexible aqueous lithium-ion batteries. Sustain. MaterTechnol. 2019. V. 20. P. e00096. DOI: 10.1016/j.susmat.2019.e00096.
Lee D.-K., Yoo J., Kim H., Kang B.-H., Park S.-H. Electrical and Thermal Properties of Carbon Nanotube Polymer Composites with Various Aspect Ratios. Materi-als. 2022. V. 15. P. 1356. DOI: 10.3390/ma15041356.
Rathinavel S., Priyadharshini K., Panda D. A review on carbon nanotube: An overview of synthesis, properties, functionalization, characterization, and the application. Mater. Sci. Eng, B. 2021. V. 268. P. 115095. DOI: 10.1016/j.mseb.2021.115095.
Suzuki Y., Takeda T., Goto T. Direct electrochemical formation of carbonaceous material from CO2 in LiCl-KCl melt. Electrochim. Acta. 2023. V. 456. P. 142464. DOI: 10.1016/j.electacta.2023.142464.
Rahman G., Najaf Z., Mehmood A., Bilal S., Shah A.u.H.A., Mian S.A., Ali G. An Overview of the Recent Progress in the Synthesis and Applications of Carbon Nanotubes. J. Carbon Res. C. 2019. V. 5. P. 3. DOI: 10.3390/c5010003.
Sugime H., Sato T., Nakagawa R., Hayashi T., Inoue Y., Noda S. Ultralong carbon nanotube forest via in situ supplements of iron and aluminum vapor sources. Carbon. 2021. V. 172. P. 772-780. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.10.066.
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).
Ryu S.W., Hwang J.W., Hong S.H. Synthesis and Characterization of Vertically Aligned Carbon Nanotube For-est for Solid State Fiber Spinning. J. Nanosci. Nanotech-nol. 2012. V. 12. P. 5653–5657. DOI: 10.1166/jnn.2012.6339.
Khaskov M.A., Karaeva A.R., Mitberg E.B., Mordko-vich V.Z. Influence of Sulphur on yield and morphology of ultralong carbon nanotubes. Zhurn. Tekhn. Fiziki. 2025. V. 95. N 2. P. 344-350 (in Russian). DOI: 10.61011/ JTF.2025.02.59730.352-24.
Liu K., Sun Y., Lin X., Zhou R., Wang J., Fan S., Jiang K. Scratch-Resistant, Highly Conductive, and High-Strength Carbon Nanotube-Based Composite Yarns. ACS Nano. 2010. V. 4. N 10. P. 5827-5834. DOI: 10.1021/nn1017318.
Khaskov M.A., Karaeva A.R., Mordkovich V.Z. Influence of wet-spinning conditions and posttreatments of fibers based on ultralong carbon nanotubes and polyvinyl alcohol on the properties of products obtained. Chem-ChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2025. V. 68. N 9. P. 115-125 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.13y.
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(2). N 79. P. 1-10. DOI: 10.3390/jcs7020079.
Khaskov M.A. The comparative measurements of the glass transition temperature of the polymer composite materials by DSC, TMA and DMA techniques. Vopr. Materialoved. 2014. V. 79. N 3. P. 138–144 (in Russian).
Hess F., Kipping T., Weitschies W., Krause J. Understanding the Interaction of Thermal, Rheological, and Mechanical Parameters Critical for the Processability of Polyvinyl Alcohol-Based Systems during Hot Melt Extru-sion. Pharmaceutics. 2024. V. 16. P. 472. DOI: 10.3390/pharmaceutics16040472.
Marinoiu A., Ion-Ebrasu D., Soare A., Raceanu M. Iodine-Doped Graphene Oxide: Fast Single-Stage Synthe-sis and Application as Electrocatalyst. Materials. 2022. V. 15. P. 6174. DOI: 10.3390/ma15176174.
Zhao Y., Wei J., Vajtai R. Ajayan P.M., Barrera E.V. Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals. Sci Rep. 2011. V. 1. P. 83. DOI: 10.1038/srep00083.
Zubair A., Tristant D., Nie C., Tsentalovich D.E., Headrick R.J., Pasquali M., Kono J., Meunier V., Flahaut E., Monthioux M., Gerber I.C., Puech P. Charged iodide in chains behind the highly efficient iodine doping in carbon nanotubes. Phys. Rev. Mater. 2017. V. 1. N 6. P. 064002. DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.1.064002.
Anghel D., Epuran C., Fringu I., Fratilescu I., Lascu A., Macsim A.-M., Chiriac V., Gherban M., Vlascici D., Fagadar-Cosma E. Double Type Detection of Triiodide and Iodide Ions Using a Manganese(III) Porphyrin as Sensitive Compound. Sensors. 2024. V. 24. P. 5517. DOI: 10.3390/s24175517.
Chowdhury B., Zvinchuk A.A., Aysin R.R., Khakina E.A., Cherkasova P.V., Lyubimov S.E. Amine-Iodine Adducts as Simple but Effective Catalysts for the Synthesis of Organic Carbonates from Epoxides and CO2. Catal. Surv. Asia. 2021. V. 25. P. 419–423. DOI: 10.1007/s10563-021-09341-9.
Lynch J.A., Birch Q.T., Ridgway T.H., Birch M.E. Quantification of Carbon Nanotubes by Raman Analysis. Ann. Work Expos. Health. 2018. V. 62. N 5. P. 604–612. DOI: 10.1093/annweh/wxy016.
Song Y., Zhang S., Kang J., Chen J., Cao Y. Water absorption dependence of the formation of poly(vinyl al-cohol)-iodine complexes for poly(vinyl alcohol) films. RSC Adv. 2021. V. 11. P. 28785. DOI: 10.1039/D1RA04867H.
Takakura A., Nishihara T., Harano K., Cretu O., Tanaka T., Kataura H., Miyauchi Y. Coalescence of carbon nanotubes while preserving the chiral angles. Nat. Commun. 2025. V. 16. P. 1093. DOI: 10.1038/s41467-025-56389-6.
Khaskov M.A. Thermoporometry and oxyreactive thermal analysis for study of carbon matrices. Chem-ChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 24-31 (in Russian). DOI:10.6060/ivkkt.20236610.1y.
Guo Z., Zhong S., Cao M., Zhong Z., Xiao Q., Huang J., Chen J. High-Temperature-Annealed Multi-Walled Carbon Nanotubes as High-Performance Conductive Agents for LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 Lithium-Ion Batteries. Metals. 2023. V. 13. P. 36. DOI: 10.3390/met13010036.
Khabibullina I.A., Sitnikov N.N., Kazakov V.A., Sigalaev S.K. Simultaneous thermal analysis and raman spectroscopy as complementary methods of diagnostics of carbon allotropic forms. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. V. 59. N 8. P. 34-39 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.20165908.35y.
Naumova V.A., Mordkovich V.Z., Khaskov M.A., De V.V., Kulnitskiy B.A., Karaeva A.R. The role of water in the process of demetallization of products of the catalytic synthesis of long carbon nanotubes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 66-74 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.5y.
