Упрочнение полимеров однослойными углеродными нанотрубками

Углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие, как известно, рекордными механическими характеристиками, рассматриваются многими авторами как эффективное средство повышения прочностных свойств композитных полимерных материалов. Однако для реализации этой возможности необходимо добиться хорошего сопряжения между поверхностью УНТ и полимерной матрицей. Это обеспечивает эффективную передачу нагрузки от полимерного материала нанотрубке и, в конечном счете, приводит к повышению прочностных характеристик композита. В противном случае нанотрубка, помещенная внутрь полимерного материала, ведет себя там подобно «волосу в пироге» и не только не улучшает, но может даже ухудшить прочностные свойства полимера. Указанное сопряжение может быть реализовано в результате присоединения к поверхности УНТ радикалов, образующих химическую связь с молекулами полимера.

Усилия, развиваемые во многих научных лабораториях мира и направленные на обеспечение сопряжения полимера с УНТ, начинают давать первые результаты. Так, недавно в одной из лабораторий Шанхая благодаря хорошему химическому сопряжению при содержании УНТ менее одной десятой процента было получено почти двукратное увеличение прочности ряда полимерных материалов. Коммерческие однослойные нанотрубки в течение 24 часов очищали обработкой концентрированной соляной кислотой. В качестве матрицы использовали такие полимеры, как полиаминофенилалкин (АРА), пленка полистирола (PS), а также сополимер стирола и полихлорметилстирола (PS-co-PCMS).

Образцы композита на основе АРА были приготовлены путем ультразвуковой обработки раствора олигомера в дихлорбензоле с добавлением некоторого количества нанотрубок с последующим введением изоамилнитрида и перемешиванием в течение 15 часов при температуре 60оС. Полученную суспензию растворяли в диметилфталате и после ультразвуковой обработки тщательно просушивали. Образцы на основе пленки полистирола готовили аналогичным образом с использованием раствора в тетрагидрофуране. При приготовлении образцов на основе сополимера (PS-co-PCMS) в качестве растворителя использовали толуол.

Исследования, выполненные с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, а также Фурье-спектроскопии, показывают, что описанный способ получения композитов приводит к образованию прочной химической связи между полимерной матрицей и поверхностью УНТ. Это обусловлено присоединением химически активных радикалов к поверхности УНТ. Например, в случае матрицы полистирола таким радикалом является хлорбензол. Наличие такой связи приводит к заметному повышению прочностных характеристик композитов. Так, результаты проведенных испытаний указывают на увеличение прочности на разрыв пленки полистирола толщиной 70 мкм с 10,8 МПа до 19,7 МПа в результате добавления 0,06% однослойных УНТ. Аналогичным образом изменяются такие характеристики, как модуль упругости и предельное растяжение. Тем самым показано, что благодаря обеспечению хорошей передачи нагрузки от полимера к УНТ заметное упрочение полимерных композитов наблюдается уже при относительно небольших добавках нанотрубок.

Нанометр