Визначення впливу вуглецевих нанотрубок на мікроструктуру та функціональні властивості полімерних нанокомпозитних матеріалів на основі полікарбонату

Автор(и)

  • Едуард Анатолійович Лисенков Чорноморський національний університет імені Петра Могили, Україна https://orcid.org/0000-0002-1369-4609
  • Леонід Павлович Клименко Чорноморський національний університет імені Петра Могили, Україна https://orcid.org/0000-0002-3458-9453

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.239114

Ключові слова:

полімерні нанокомпозити, вуглецеві нанотрубки, теплопровідність, електропровідність, міцність на розрив, полікарбонат

Анотація

Полімерні нанокомпозити мають широке застосування у різних високотехнологічних сферах виробництва. Завдяки поєднанню еластичності матриці та міцності неорганічного наповнювача вони мають поліпшені функціональні характеристики порівняно із ненаповненими полімерами. Стаття присвячена визначенню впливу вуглецевих нанотрубок (ВНТ) на мікроструктуру та властивості полімерних нанокомпозитних матеріалів на основі полікарбонату. У результаті проведеної роботи було виготовлено серію композитних матеріалів за допомогою поршневого екструдера. Було досліджено їх мікроструктуру та функціональні характеристики, використовуючи методи оптичної мікроскопії, теплофізичного, електричного та механічного аналізу. Встановлено, що ВНТ формують у полімерній матриці кластери, які утворюють перколяційну сітку при вмісті 0,5‑0,8 %. Така особливість структуроутворення ВНТ забезпечила стрибкоподібне зростання функціональних характеристик отриманих матеріалів. Показано, що зі збільшенням вмісту наповнювача у системі до 3 % теплопровідність стрімко зростає до 1,22 Вт/(м·K). Аналогічний ефект спостерігається і для електропровідності, яка зростає на сім порядків з 10-12 до 10-5 См/см при 3 % вмісті ВНТ у системі, проявляючи перколяційну поведінку. При введенні ВНТ, майже на 15 % знижується ступінь кристалічності полімерної матриці, завдяки тому, що розвинена поверхня нанотрубок створює стеричні перешкоди для макромолекул полікарбонату. Такий ефект майже нівелює армувальний вплив нанотрубок, тому механічна міцність на розрив при введенні 3 % ВНТ зростає лише на 21 % у порівнянні із ненаповненою матрицею. За своїми функціональними характеристиками отримані матеріали є перспективними для створення на їх основі філаментів для 3D друку

Біографії авторів

Едуард Анатолійович Лисенков, Чорноморський національний університет імені Петра Могили

Доктор фізико-математичних наук, доцент

Кафедра інтелектуальних інформаційних систем

Леонід Павлович Клименко, Чорноморський національний університет імені Петра Могили

Доктор технічних наук, професор, ректор

Кафедра екології

Посилання

  1. Muhammed Shameem, M., Sasikanth, S. M., Annamalai, R., Ganapathi Raman, R. (2021). A brief review on polymer nanocomposites and its applications. Materials Today: Proceedings, 45, 2536–2539. doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.11.254
  2. Gomez-Gras, G., Jerez-Mesa, R., Travieso-Rodriguez, J. A., Lluma-Fuentes, J. (2018). Fatigue performance of fused filament fabrication PLA specimens. Materials & Design, 140, 278–285. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.11.072
  3. Kaur, G., Singari, R. M., Kumar, H. (2021). A review of fused filament fabrication (FFF): Process parameters and their impact on the tribological behavior of polymers (ABS). Materials Today: Proceedings. doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.06.274
  4. Fang, L., Yan, Y., Agarwal, O., Seppala, J. E., Hemker, K. J., Kang, S. H. (2020). Processing-structure-property relationships of bisphenol-A-polycarbonate samples prepared by fused filament fabrication. Additive Manufacturing, 35, 101285. doi: https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101285
  5. Zhang, X., Fan, W., Liu, T. (2020). Fused deposition modeling 3D printing of polyamide-based composites and its applications. Composites Communications, 21, 100413. doi: https://doi.org/10.1016/j.coco.2020.100413
  6. Wang, X., Jiang, M., Zhou, Z., Gou, J., Hui, D. (2017). 3D printing of polymer matrix composites: A review and prospective. Composites Part B: Engineering, 110, 442–458. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.11.034
  7. Kukla, C., Gonzalez-Gutierrez, J., Duretek, I., Schuschnigg, S., Holzer, C. (2017). Effect of Particle Size on the Properties of Highly-Filled Polymers for Fused Filament Fabrication. AIP Conference Proceedings, 1914, 190006. doi: https://doi.org/10.1063/1.5016795
  8. Çanti, E., Aydın, M., Yıldırım, F. (2018). Production and Characterization of Composite Filaments for 3D Printing. Journal of Polytechnic, 21 (2), 397–402. doi: https://doi.org/10.2339/politeknik.389591
  9. Angelopoulos, P. M., Samouhos, M., Taxiarchou, M. (2021). Functional fillers in composite filaments for fused filament fabrication; a review. Materials Today: Proceedings, 37, 4031–4043. doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.07.069
  10. Chen, J., Liu, B., Gao, X., Xu, D. (2018). A review of the interfacial characteristics of polymer nanocomposites containing carbon nanotubes. RSC Advances, 8 (49), 28048–28085. doi: https://doi.org/10.1039/c8ra04205e
  11. Lysenkov, E. A., Klepko, V. V. (2016). Analysis of Percolation Behavior of Electrical Conductivity of the Systems Based on Polyethers and Carbon Nanotubes. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (1), 01017-1–01017-7. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.8(1).01017
  12. Mora, A., Verma, P., Kumar, S. (2020). Electrical conductivity of CNT/polymer composites: 3D printing, measurements and modeling. Composites Part B: Engineering, 183, 107600. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107600
  13. Lysenkov, É. A., Klepko, V. V. (2015). Characteristic Features of the Thermophysical Properties of a System Based on Polyethylene Oxide and Carbon Nanotubes. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 88 (4), 1008–1014. doi: https://doi.org/10.1007/s10891-015-1278-3
  14. Tsiakatouras, G., Tsellou, E., Stergiou, C. (2014). Comparative study on nanotubes reinforced with carbon filaments for the 3D printing of mechanical parts. World Transactions on Engineering and Technology Education, 12 (3), 392–396. Available at: http://www.wiete.com.au/journals/WTE%26TE/Pages/Vol.12,%20No.3%20(2014)/11-Tsiakatouras-G.pdf
  15. Melezhik, A. V., Sementsov, Y. I., Yanchenko, V. V. (2005). Synthesis of Fine Carbon Nanotubes on Coprecipitated Metal Oxide Catalysts. Russian Journal of Applied Chemistry, 78 (6), 917–923. doi: https://doi.org/10.1007/s11167-005-0420-y
  16. Lysenkov, E., Klymenko, L. (2021). Determining the effect of dispersed aluminum particles on the functional properties of polymeric composites based on polyvinylidene fluoride. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (111)), 59–66. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.228731
  17. Hoshen, J., Kopelman, R. (1976). Percolation and cluster distribution. I. Cluster multiple labeling technique and critical concentration algorithm. Physical Review B, 14 (8), 3438–3445. doi: https://doi.org/10.1103/physrevb.14.3438
  18. Feder, J. (1988). Fractals. Springer, 284. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4899-2124-6
  19. Bauhofer, W., Kovacs, J. Z. (2009). A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites. Composites Science and Technology, 69 (10), 1486–1498. doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.018
  20. Kirkpatrick, S. (1973). Percolation and Conduction. Reviews of Modern Physics, 45 (4), 574–588. doi: https://doi.org/10.1103/revmodphys.45.574
  21. Larosa, C., Patra, N., Salerno, M., Mikac, L., Merijs Meri, R., Ivanda, M. (2017). Preparation and characterization of polycarbonate/multiwalled carbon nanotube nanocomposites. Beilstein Journal of Nanotechnology, 8, 2026–2031. doi: https://doi.org/10.3762/bjnano.8.203
  22. Kong, Y., Hay, J. N. (2003). The enthalpy of fusion and degree of crystallinity of polymers as measured by DSC. European Polymer Journal, 39 (8), 1721–1727. doi: https://doi.org/10.1016/s0014-3057(03)00054-5
  23. Grebowicz, J. S. (1996). Thermal properties of polycarbonate grade bisphenol A. Journal of Thermal Analysis, 46 (3-4), 1151–1166. doi: https://doi.org/10.1007/bf01983626
  24. Kumanek, B., Janas, D. (2019). Thermal conductivity of carbon nanotube networks: a review. Journal of Materials Science, 54 (10), 7397–7427. doi: https://doi.org/10.1007/s10853-019-03368-0
  25. Lysenkov, Е. А., Dinzhos, R. V. (2019). Theoretical Analysis of Thermal Conductivity of Polymer Systems Filled with Carbon Nanotubes. Journal of Nano- and Electronic Physics, 11 (4), 04004-1–04004-6. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.11(4).04004
  26. Lysenkov, E. A., Klepko, V. V., Yakovlev, Yu. V. (2015). Influence of the Filler’s Size on the Percolation Behavior in the Polyethylene Glycol/Carbon Nanotubes System. Journal of Nano- and Electronic Physics, 7 (1), 01031. Available at: https://jnep.sumdu.edu.ua/en/full_article/1447
  27. Stauffer, D., Aharony, A. (1994). Introduction to percolation theory. Taylor & Francis, 192. doi: https://doi.org/10.1201/9781315274386
  28. Zhi, X., Zhang, H.-B., Liao, Y.-F., Hu, Q.-H., Gui, C.-X., Yu, Z.-Z. (2015). Electrically conductive polycarbonate/carbon nanotube composites toughened with micron-scale voids. Carbon, 82, 195–204. doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.10.062
  29. Klepko, V. V., Lysenkov, E. A. (2015). Features of Percolation Transition in Systems on the Basis of Oligoglycols and Carbon Nanotubes. Ukrainian Journal of Physics, 60 (9), 944–949. doi: https://doi.org/10.15407/ujpe60.09.0944
  30. Han, Z., Fina, A. (2011). Thermal conductivity of carbon nanotubes and their polymer nanocomposites: A review. Progress in Polymer Science, 36 (7), 914–944. doi: https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2010.11.004

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-08-26

Як цитувати

Лисенков, Е. А., & Клименко, Л. П. (2021). Визначення впливу вуглецевих нанотрубок на мікроструктуру та функціональні властивості полімерних нанокомпозитних матеріалів на основі полікарбонату. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(12(112), 53–60. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.239114

Номер

Том 4 № 12(112) (2021): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Eduard Lysenkov, Leonid Klymenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.