CC BY
144
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н.Э. ЬАУМЛНЛ
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл JVa ФС 77 - 48211. Государственная регистрация №(I4212Ü0025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Исследования микроструктуры наномодифицированных полимерных композиционных материалов # 07, июль 2012 Б01: 10.7463/0712.0431361
Муранов А. Н., Александров И. А., Буянов И. А., Чуднов И. В., Бородулин А. С., Миронов Ю. М., Нелюб В. А.
УДК. 539.21
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected] [email protected] [email protected] chudnovi @yandex.ru [email protected] [email protected] [email protected]
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
Внешний вид Черный агломерированный порошок
Тип Многостенные углеродные нано-трубки
Содержание углерода 95 %
Содержание аморфного углерода Не обнаружено
Длина >1 мкм
Объемная плотность (EN ISO 60) 130-150 кг/м3
Свободные размер агломерата 0,1-1 мм
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.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTÜ
SCIENCE and EDUCATION
EL JV® FS 77 - 4821 1. №0421200025. ISSN 1994-0408 electronic scientific and technical journal
Investigation of microstructure of nano-modified polymer composite
materials
# 07, July 2012
DOI: 10.7463/0712.0431361
Muranov A.N., Aleksandrov I.A., Buyanov I.A., Chudnov I.V., Borodulin A.S., Mironov Yu.M., Nelyub V.A.
Russia, Bauman Moscow State Technical University
[email protected] [email protected] [email protected] chudnovi @yandex.ru [email protected] [email protected] [email protected]
In this article the authors present polymer composite materials based on polyester matrix modified with carbon nanotube; these materials were investigated and manufactured. The obtained results of microstructural investigation of samples indicate a promising outlook of using carbon nanotube as nano-modificator for increasing the strength characteristics of polymer composites.
Publications with keywords: polymeric composite materials, nanomodificator, carbon nanotube Publications with words: polymeric composite materials, nanomodificator, carbon nanotube
References
1. Aldoshin S.M., Badamshina E.R., Kablov E.N. Polimernye nanokompozity - novoe pokolenie polimernykh materialov s povyshennymi ekspluatatsionnymi kharakteristikami [Polymer nanocomposites - a new generation of polymeric materials with enhanced performance characteristics]. Nanotechnology Int. Forum "Rusnanotech 2008" Proc. Moscow, Rusnano Publ., 2008, vol. 1, pp. 385-386.
2. Tarasov V.A., Stepanishchev N.A. Primenenie nanotekhnologii dlia uprochneniia poliefirnoi matritsy kompozitsionnogo materiala [The use of nanotechnology for reinforcement the polyester matrix of a composite material]. VestnikMGTUim. N.E. Baumana. Ser.
Mashinostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Ser. Mechanical Engineering], 2010, no. S, pp. 207-216.
3. Ray S.S., Bousmina M. Polymer nanocomposites and their applications. Stevenson Ranch, CA, American Scientific Publ., 2006. 600 p.
4. Bal S. Dispersion and reinforcing mechanism of carbon nanotubes in epoxy nanocomposites. Bulletin of Materials Science, 2010, vol. 33, no. 1, pp. 27-31. DOI: 10.1007/s12034-010-0004-1.
