НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК. 539.21

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

yury.mironov@gmail.com

mail@emtc.ru

asb@emtc.ru

chudnovi@yandex.ru

iab@emtc.ru

alexandrovislam@gmail.com

muranovalecs@mail.ru

Введение

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) являются перспективным материалом для различных отраслей промышленности, ПКМ находят применение в авиационной и космической технике, опорных конструкциях и других областях. Нанотехнология является наиболее перспективным направлением развития технологий получения композиционных материалов с заданным комплексом свойств, посредством контроля и управления расположения нанообъектов. Наиболее известными нанообъектами являются углеродные нанотрубки, открытые в 1991 г. Они обладают уникальными оптическими, химическими и механическими свойствами. Особое внимание получают материалы, создаваемые включением металлических наночастиц в полимерную матрицу.

В настоящее время мировые технологии новых композиционных материалов выходят на наномасштабный молекулярный уровень полимеров. Единицы процента объемного содержания наночастиц в композите увеличивают физические характеристики на величину от 10 до 15 %, а температура деструкции при этом повышается с плюс 65 до плюс 150 °C. Многие западные страны связывают экономический рост своих стран в ближайшие 30 лет с ориентированием отраслей на производство и использование наноструктурированных материалов и нанокомпозитов. При получении полимерного композита с нановолокнистой упрочняющей фазой важным является выбор эффективного способа введения наночастиц в матрицу, обеспечение равномерного распределения волокон в полимере и оптимизация технологических режимов его получения. Производство данных систем требует контролируемого смешивания, стабилизации полученного распределения наночастиц, а также ориентации дисперсной фазы [1].

Одной из наиболее важных проблем, возникающих при получении наномодифицированных полимерных композитов, является необходимость однородного распределения наночастиц в материале матрицы [2]. Углеродные нанотрубки обладают большой поверхностной энергией, что приводит к агломерированию УНТ в матрице. Размер агломератов может достигать десятки и сотни микрометров. В этом случае эффект механического упрочнения и армирования матрицы не достигается, который характерен для однородного распределения наночастиц. Это приводит к ухудшению как механических, так и физических свойств композита [3, 4].

1.    Объекты и метод исследований

Объектами исследования были наномодифицированные образцы из отверждённой смолы, модифицированной УНТ с различным содержанием (0; 5; 30 %). В качестве полимерной матрицы была использована полиэфирная смола "холодного" отверждения.

В качестве УНТ были использованы нанотрубки производства Baytubes^® C 150 P. Они представляют собой агломераты из нескольких углеродных нанотрубок с малым внешним диаметром, узким распределением по диаметру и сверхвысоким соотношением сторон (длины к диаметру). Изображения трубок, полученных методом растровой электронной микроскопии, показаны на рисунке 1.

а)                                                                  б)

а) увеличение в 15 200 раз;

б) увеличение 24 200 раз;

Рисунок 1 – УНТ Baytubes^® C 150 P

Как показано на рисунке 1, диаметр нанотрубки равен 88 нм. Свойства УНТ представлены в таблице 1.

Таблица 1

Свойства нанотрубок Baytubes^® C 150 P

2.    Результаты и их обсуждение

При введении наномодификаторов в полимерное связующее необходимо обеспечить равномерное распределение модификатора по объему связующего. Углеродные нанотрубки в силу высокой удельной площади поверхности склонны к образованию агломератов. Поэтому при введении углеродных нанотрубок в полиэфирную матрицу необходимо осуществлять ультразвуковую обработку связующего с помощью ультразвукового диспергатора. При ультразвуковой обработке в полимере образуются газонаполненные микропузырьки, которые создают пористую структуру и образуют естественные концентраторы напряжений. Поэтому приготовленная смесь, после введения катализатора процесса отверждения, проходила вакуумирование. В качестве катализатора отверждения смолы использовался пероксид метилэтилкетона Butanox^® M50. Катализатор добавлялся в количестве 1 % от массы смолы. Приготовленную композицию вакуумировали в вакуумной камере при 700 мм.рт.ст. до полного удаления газовых включений, потом заливали в формы и проводили дополнительно вибрационную обработку в форме.

Отверждение полиэфирной смолы происходило при комнатной температуре. Затем все образцы подвергались постотверждению при одинаковом термическом режиме для уменьшения количества непрореагировавшего стирола и создания на его базе сополимера. Для уменьшения усадочных деформаций постотверждение заготовок проводилось под прижимным пуансоном в сушильном шкафу.

Анализ методом сканирующей электронной микроскопии проводился образцов с предварительно нанесенным тонким проводящим слоем из золота с целью устранения эффекта накопления статического заряда на поверхности диэлектрического материала (рисунок 2).

Рисунок 2 – Изображение поверхности ПКМ с нанесенной золотой пленкой

Проведенный элементный анализ образцов методом энергодисперсионного анализа полимерного композиционного материала (рисунок 3) показал наличие углерода, кислорода, кремния и проводящего покрытия из золота в количественном соотношении.

Рисунок 3 – Электронное изображение микронаполнителя из мелкодисперсного стекловолокна

Элементный состав выделенного участка микронаполнителя (рисунок 3) соответствует следующему распределению концентрации элементов: углерод – 28 % атомного содержания (ат.), кремний – 21 % ат., кислород – 25 % ат., золото – 26 % ат. Элементный состав матрицы показал следующие результаты по элементному содержанию: углерод – 84 % ат., кислород – 7,5 % ат., золото – 8,5 % ат.

На рисунке 4 представлены результаты микроскопического анализа поверхности образца с 30 % содержание УНТ в полимерной матрице.

Рисунок 4 – Изображение поверхности ПКМ с содержанием УНТ 30 %, увеличение 25 000 раз

Изображение образца полиэфирного связующего с содержанием УНТ
5 % представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 – Изображение поверхности ПКМ с содержанием УНТ 5 %, увеличение 25 000 раз

На рисунке 6 было определено, распределение УНТ в полимерной матрице, которое заметно равномерно по сравнению с содержанием 30 %.

Рисунок 6 – Изображение поверхности ПКМ с содержанием УНТ 5 %, увеличение 75 000 раз

Выводы

Были изготовлены полимерные композиционные материалы на основе полиэфирного связующего с наномодификацией углеродными нанотрубками. Полученные результаты исследования структуры полимерной матрицы с нанотрубками выявили особенности диспергирования УНТ в связующем методом сканирующей электронной микроскопии. Выявлены закономерности распределения УНТ по полимерной матрице в зависимости от концентрации нанотрубок.

Работа выполнена при финансовой поддержки государственного контракта №16.518.11.7081 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» и представленные результаты выполнены в ходе выполнения данного государственного контракта.

Используемая литература

1.         Алдошин С.М., Бадамшина Э.Р., Каблов Е.Н. Полимерные нанокомпозиты – новое поколение полимерных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Сб. трудов. Междунар. форума по нанотехнологиям «Rusnanotech 08». М.: РОСНАНО, 2008. Т.1. с.385-386.

2.         В.А. Тарасов, Н.А. Степанищев. Применение нанотехнологий для упрочнения полиэфирной матрицы композиционного материала. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана № 2010, с. 25-36.

3.         Ray, S.S. Polymer Nanocomposites and Their Applications, American Scientific Publishers , Stevenson Ranch, California, 2006, pp. 68-187.

4          . Smrutisikha B. Dispersion and reinforcing mechanism of carbon nanotubes in epoxy nanocomposites // Bull. Mater. Sci., Vol. 33, No. 1, 2010, pp. 27–31.