04 марта 2016г.
Нанотехнологии нашли широкое применение в различных отраслях промышленности с целью получения новых конкурентоспособных продуктов. В частности, актуальной стала задача создания конструкционных и функциональных материалов нового поколения на базе наноструктур с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
В этом случае наноструктуры используются в качестве модификаторов различных полимеров. Так известно, что внесение малых концентраций углеродных наноматериалов в матрицу полимера позволяет существенно изменить структуру и свойства получаемых на его основе композитов. Главной проблемой, затрудняющей получение таких материалов, является равномерное распределение наномодификатора в полимерной матрице.
Рассмотрим решение данной задачи на примере эпоксидной смолы, одном из самых распространенных полимеров, давно привлекающем внимание учѐных, в связи с потребностью в создании легкого и прочного материала для авиа-, судо-, машиностроения и т.д.
Для распределения наноматериала в смоле может быть использовано ультразвуковое, механическое или комбинированное воздействие.
Ультразвуковое воздействие использовалось в работах [6 – 8]. Так в источнике [19] описано распределение наноматериала при помощи ультразвуковых колебаний, путѐм воздействия коротких импульсов общей длительностью, не превышающей 100 секунд, или одним импульсом такой же длительностью. Смесь углеродных нанотрубок (УНТ) и эпоксидной смолы охлаждали до комнатной температуры, иначе начинался процесс разрушения структуры эпоксидной смолы, что отрицательно сказывалось на качестве конечного продукта. Эта черта характерна для ультразвуковой обработки.
Механическое воздействие, как единственный способ смешения использовался в [1, 12]. В [12] был разработан оригинальный валковый диспергатор с вертикальным расположением ротора и статора.
Одно механическое воздействие не может позволить добиться необходимого качества распределения. С этой целью используют комбинированные способы смешения, представленные в источниках [3, 9 – 11, 13 – 16]. В [14] случае углеродный наноматериал вводили непосредственно в объем эпоксидной смолы, а в [16] готовили концентрат.
Существует два способа введения углеродных нанотрубок в эпоксидную смолу: «сухой» и через растворитель или отвердитель. Внесение через растворитель [2, 4, 8, 13, 14] или отвердитель [17] связано с дополнительными операциями вакуумирования, что существенно удорожает технологию и отрицательно сказывается на качестве конечного продукта. Авторы [7] готовили суспензию из метанола, ПАВ и УНТ, которую перемешивали при помощи ультразвукового и механического воздействия, затем вводили в эпоксидную смолу и подвергали ультразвуковому воздействию. Для дегазации и удаления метанола использовали вакуумирование.
«Сухое» введение подразумевает добавление углеродного наноматериала непосредственно в эпоксидную смолу и механическое, УЗ или комбинированное воздействие [5, 15, 16, 18, 19].
Таким образом, анализ литературных данных позволил определить, что введение растворителя удорожает и ухудшает качество конечного продукта, с помощью механического воздействия нельзя добиться качественного распределения, а длительное ультразвуковое воздействие может отрицательно повлиять на структуру эпоксидной смолы. Из чего можно сделать вывод, что предпочтительным является использование комбинированного метода, заключающегося в ультразвуковой обработке и механическом воздействии.
Список литературы
1. Campo, M. Effect of type, percentage and dispersion method of multi-walled carbon nanotubes on tribological properties of epoxy composites / M. Campo, A.Jiménez-Suárez,A.Ureña // Wear. – 2015. - № 324 - 325. – p.100 - 108.
2. Chang, Yu-Hsun. Physisorption of ionic salts to carbon nanotubes for enhancing dispersion and thermomechanical properties of carbon nanotube-filled epoxy resins / Yu-Hsun Chang a, King-Fu Lin // Composites Science and Technology. – 2014. - № 90. – p. 174 – 179.
3. Islam, M. E. Characterization of carbon fiber reinforced epoxy composites modified with nanoclay and carbon nanotubes / M. E. Islam, T. H. Mahdi, M. V. Hosur // Procedia Engineering. – 2015. - № 105. – p. 821 – 828.
4. Jakubinek, M.B. Single-walled carbon nanotube–epoxy composites for structural and conductive aerospace adhesives / Michael B. Jakubinek, Behnam Ashrafi, Yunfa Zhang // Composites: Part B. – 2015. - №69. – p. 87 – 93.
5. Kharitonov, A.P. Reinforcement of epoxy resin composites with fluorinated carbon nanotubes / A.P. Kharitonov,
G.V. Simbirtseva, A.G. Tkachev // Composites Science and Technology. – 2014. – № 107. - p. 162 - 168.
6. Moaseri, E. Improvements in mechanical properties of multi-walled carbon nanotube-reinforced epoxy composites through novel magnetic-assisted method for alignment of carbon nanotubes / E. Moaseri, M. Karimi, M. Baniadam // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing // 2014. - №64. – p. 228 – 233.
7. Naik, R. B. Effect of non-ionic surfactants on thermomechanical properties ofepoxy/multiwall carbon nanotubes composites / R. Baloji Naik∗, S.B. Jagtap, R.S. Naik // Progress in Organic Coatings. – 2014. - №7. – p. 1883 – 1889.
8. Rahmanian, S. Mechanical Characterization of Epoxy Composite with Multiscale Reinforcements: Carbon Nanotubes and Short Carbon Fibers / S. Rahmanian,A.R. Suraya,M.A. Shazed
// Materials & Design. – 2014. -№60. – p. 34 – 40.
9. Saeed, A. M. E. Synthesis and characterization of titanium oxide nanotubes and itsperformance in epoxy nanocomposite coating / Ashraf. M. El Saeed, M. Abd El- Fattah, M.M. Dardir // Progress in Organic Coatings. – 2015. - № 78. - p.83 - 89.
10. Vahedi, F. Effects of carbon nanotube content on the mechanical and electrical properties of epoxy-based composites / F. Vahedi, H. R. Shahverdi, M. M. Shokrieh // New carbon materials. – № 29(6). – p. 419 – 425.
11. Yue, L. Epoxy composites with carbon nanotubes and graphene nanoplatelets – Dispersion and synergy effects / Liang Yue, Gholamreza Pircheraghi, Seyed Ali Monemian // Carbon. - 2014. – №78. - p. 268 – 278.
12. Абрахимов, Р.Р. Исследовании реологии суспензий для эффективного диспергирования многостенных углеродных нанотрубок в эпоксидной смоле / Р.Р. Абрахимов, С.Б. Сапожников, В.В. Синицин // Вестник ЮУрГУ. – 2012. - №34. –С.68 – 74.
13. Акатенков, Р.В.Влияние малых количеств функционализированных нанотрубок на физико-механические свойства и структуру эпоксидных композиций / Р.В. Акатенков, В.Н. Алексашин, И.В. Аношкин и др. – Москва: ФГУП «ВИАМ» ГНЦ, 2011. – 16с.
14. Захарычев, Е.А. Разработка полимерных композиционных материалов на основе эпоксидного связующего и функционализированных углеродных нанотрубок: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук / Е.А. Захарычев. – Нижний Новгород, 2013. – 26с.
15. Заявка 2005105685 США, МПК C 09 J 4/00. Гибридный пластизоль/составы для термоклея [Текст] / Стумфозер Уилльям С., Паркер Антони А.; заявитель и патентообладатель Стумфозер Уильям С., Паркр Антони А.; патентный поверенный Веселицкая И.А. - №2005105685/04, заявл.30.07.2003; опубл. 30.07.2003, Бюл.№34. – 6с.
16. Зимин, Д.Е. Наномодификация эпоксидного связующего для создания базальтопластика с улучшенными эксплуатационными свойствами / Д.Е. Зимин, О.С. Татаринцева, А.К. Кычкин // Ползуновский вестник. – 2013. - №3. – С.282 – 285.
17. Пат.2489460 Российская Федерация МПК C08L 63/02 C08L 63/04 C08K 3/04 D82D 3/00. Наномодифицированное связующее, способ его получения и препрег на его основе [Текст] / Озерин А.Н., Тикунова Е.П., Яблокова М.Ю. и др.; заявитель и патентообладатель ЗАО «ИМУМиТ». - №20122110148/05, заявл.19.03.2012; опубл. 19.03.2012, Бюл.№22. – 13с.
18. Пат.2500706 Российская Федерация МПК C09J4/00 B82B3/00. Способ диспергирования наночастиц в эпоксидной смоле [Текст] / Вермель В.Д, Доценко А.М, Титов С.А. и др.; патентообладатель ФГУП «ЦАГИ». - №2012114992/05, заявл.17.04.2013; опубл. 10.12.2013, Бюл.№34. – 12с.
19. Пат.2500760 Российская Федерация, МПК C09J 4/00 B82B 3/00// Способ диспергирования наночастиц в эпоксидной смоле[Текст] / Вермель В.Д., Доценко А.М., Титов С.А. и др.; заявитель и патентообладатель ФГУП «ЦАГИ». - №2012114992/05, заявл.147.04.2012; опубл.10.12.2013, Бюл.№34. – 12с.
