научная статья по теме МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ МАЛЫМИ ДОБАВКАМИ МНОГОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Физика

Текст научной статьи на тему «МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ МАЛЫМИ ДОБАВКАМИ МНОГОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия А, 2014, том 56, № 3, с. 316-322

КОМПОЗИТЫ

УДК 541.64:546.26=162

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ МАЛЫМИ ДОБАВКАМИ МНОГОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

© 2014 г. С. В. Кондрашов**, В. П. Грачев*, Р. В. Акатенков**, В. Н. Алексашин**, И. С. Деев**, И. В. Аношкин****, Э. Г. Раков***, В. И. Иржак*

* Институт проблем химической физики Российской академии наук 142432 Черноголовка Московской обл., пр. академика Семенова, 1 ** Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский Институт авиационных материалов"

105005 Москва, ул. Радио, 17 *** Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125047Москва, Миусская пл., 9 **** Aalto University School of Science Department of Applied Physics P.O. Box 15100, FI-00076AALTO Finland Поступила в редакцию 26.09.2013 г. Принята в печать 12.12.2013 г.

Исследовано влияние малых добавок модификатора — функционализированных многослойных углеродных нанотрубок на процессы образования и на свойства эпоксидных полимеров, отвержден-ных диаминодифенилсульфоном. В области концентраций добавок 0.01—0.50 мас. % обнаружена экстремальная зависимость динамического модуля упругости и температуры стеклования от концентрации модификатора. Методами электронной микроскопии и рентгеновского рассеяния показано, что в присутствии модификатора дисперсных частиц происходит образование в структуре полимера областей с повышенной плотностью упаковки макромолекул. Прослежено влияние удельной поверхности на кинетику процесса отверждения эпоксидной смолы. Предложен механизм формирования эпоксидной матрицы, следствием которого является неоднородная структура полимера, определяющая конечные свойства полимера.

DOI: 10.7868/S2308112014030079

В настоящее время углеродные нанотрубки (УНТ) рассматриваются как один из перспективных модификаторов эпоксидных связующих для улучшения их физико-механических характеристик и придания им функциональных (электропроводность, экранирование электромагнитного излучения в радиодиапазоне и т.д.) свойств [1]. Однако анализ опубликованных экспериментальных данных показывает, что свойства эпок-синанокомпозитов не укладываются в рамки классических закономерностей, которые описывают волокнистые полимерные композиты [2]. В частности, вычисленные на основании результатов исследования нанокомпозитов значения модуля упругости Е одностенных УНТ в предположении о том, что величина Е нанокомпозита пропорциональна объемной доле наполнителя [3, 4], оказываются существенно меньше ожидаемого.

Известно, что введение в полимерную матрицу высокомодульного наполнителя соответствует увеличению модуля упругости, которое сопровождается уменьшением относительной дефор-

E-mail: grachov@icp.ac.ru (Грачев Вячеслав Петрович).

мации [5]. Однако наполнение композита функ-ционализированными нанотрубками [6—11] приводит к одновременному росту как модуля упругости, так и относительного удлинения.

В ряде экспериментальных работ показано, что знак изменения температуры стеклования композиций, модифицированных УНТ, зависит от режима отверждения. Как следует из результатов исследования термомеханических характеристик композиций EPON 862 EPICURE W модифицированных УНТ, представленных в работах [6, 12—14], при одноступенчатом режиме отверждения (температура 177°С, время отверждения больше 120 мин, температура стеклования Tg от-вержденной исходной композиции в зависимости от способа определения составляет 160— 170°С) модифицирование углеродными нанотрубками приводит к уменьшению температуры стеклования на 10—20°С. Если же использован двухступенчатый режим отверждения (температура первой стадии существенно, на ~50°С, ниже, чем температура второй стадии), достигаемая величина Tg исходной композиции в зависимости от способа определения составляет 130—150°С, а

введение УНТ вызывает повышение температуры стеклования на 10—20°С.

По мнению авторов цитированных выше работ [1, 2], наблюдаемые эффекты связаны с существенным влиянием УНТ на структуру эпоксидных связующих. В связи с этим исследования, посвященные установлению закономерностей влияния УНТ на формирование структуры нано-композита в процессе отверждения и влияния сформировавшейся в присутствии УНТ структуры на макросвойства нанокомпозита, являются актуальными.

В настоящей работе предпринята попытка на основе анализа кинетики отверждения, морфологических особенностей поверхности, и физико-механических свойств эпоксинанокомпозита установить особенности структуры, формирующейся в присутствии УНТ, функционализирован-ных кислородсодержащими группами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали многослойные УНТ фирмы "Гранат", полученные каталитическим пиролизом метана в присутствии H2 при 940— 960°С и содержащие, по данным исследования методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), УНТ длиной до 2 мкм с числом графеновых слоев 1—3 (УНТ-2) и 2—5 (УНТ-5) [15]. Величина их удельной поверхности составляет соответственно 700—900 и 600—700 м2/г. Кроме того, для сравнения использовали УНТ, изготовленные фирмой "Bayer" (УНТ-В), диаметром 15—35 нм и характеризующиеся удельной поверхностью 150—250 м2/г.

Для функционализации УНТ обрабатывали смесью концентрированных НМ03 и H2S04, взятых в объемном отношении 1 : 3. Процесс проводили в течение 3—4 ч при температуре смеси 80°C и постоянном перемешивании с обратным холодильником. Затем смесь охлаждали и центрифугировали. Осадок промывали 4—5 раз дистиллированной водой и раствором НС1 (~5 мас. %) до прекращения реакции промывных вод на сульфат-ионы, высушивали под вакуумом и взвешивали. Выход функционализированных трубок (Ф-УНТ) составил 50-60%. По данным ИК-спектроскопии, Ф-УНТ содержат различные кислородсодержащие группы, преимущественно гидроксильные [16].

Нанокомпозиты на основе эпоксидных смол с Ф-УНТ получали следующим образом: эпоксидную смолу ЭД-22 с отвердителем диаминодифе-нилсульфоном (ДАДФС), взятые в стехиометри-ческом соотношении, и Ф-УНТ растворяли в ацетоне (50 мас. %), диспергировали в течение 60 мин в ультразвуковой ванне УЗВ 7/100ТН (мощность генератора 250 Вт, частота излучения 25 кГц). По-

лученную дисперсию центрифугировали в течение 30 мин при скорости вращения 3000 об/мин для удаления гелеообразных сгустков, содержащих недиспергированные нанотрубки. Ацетон удаляли вакуумированием при температуре до 100°С в течение 1 ч, затем смесь перемешивали с помощью диспергатора IKA ULTRA-TURRAX T-25 в течение 2 мин. Отверждение полученных композиций проводили в выбранном температурном режиме.

Термомеханические характеристики образцов связующего определяли методом термического механического анализа на модуле "SDTA-840 Metler Toledo". Исследования выполняли со скоростью нагревания 5 град/мин при воздействии сжимающей переменной нагрузки от 0.1 до 0.3 Н с частотой 1 Гц.

Физико-механические характеристики отвер-жденных образцов определяли на разрывной машине "Zwick Z 100" в режиме растяжения при скорости 2 мм/мин. Для измерения ударной вязкости использовали маятниковый копер ИО-5138.

Кинетику полимеризации эпоксидных композиций в присутствии Ф-УНТ исследовали методом изотермической калориметрии на приборе ДАК-1-1.

Дифракцию рентгеновского излучения изучали на дифрактометре D/MAX-2500 фирмы "Rigaku" с монохроматизированным CuZ-излу-чением. Диапазон сканирования по углу 29 составлял 0—30°. Рабочий режим дифрактометра 30 кВ, ток 100 мА.

Структуру эпоксидного нанокомпозита исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на приборе JSM-35CF фирмы "JEOL". Свежие сколы образцов, полученные при температуре жидкого азота, подвергали ионному травлению в аргоновой плазме с последующим напылением золота для контрастирования рельефа. Структурообразование полимера на начальной стадии полимеризации эпоксидной системы, а также контроль равномерности диспергирования Ф-УНТ по объему осуществляли с помощью просвечивающего электронного микроскопа "JEM 100C" фирмы "JEOL".

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлена полученная методом ПЭМ микрофотография дисперсии Ф-УНТ в композиции ЭД-22-ДАДФС. Видно, что выбранный тип нанотрубок и методика диспергирования обеспечивают равномерное распределение Ф-УНТ по объему композиции.

При исследовании эпоксидных нанокомпози-тов, содержащих Ф-УНТ-5 в количестве 0.01— 0.5 мас. % и отвержденных по ступенчатому режиму, методами термомеханического анализа

Рис. 1. ПЭМ-микрофотография дисперсии Ф-УНТ-5 в ЭД-22-ДАДФС.

установлено, что в модифицированных композициях Т& увеличивается на 15—20°С, а модуль упругости сжатия Ед возрастает в 1.9 раза (табл. 1) по сравнению с исходной величиной.

Исследование сколов образцов отвержденной эпоксидной системы с последовательно увеличивающейся концентрацией Ф-УНТ методом СЭМ (рис. 2) показало, что при введении в матрицу 0.01 мас. % Ф-УНТ на поверхности травленого скола появляются дисперсные частицы практически правильной сферической формы размером ~100 нм. Эти частицы в меньшей степени, чем окружающая матрица, подвержены ионному травлению, что, вероятно, связано с их более плотной упаковкой. С повышением концентрации Ф-УНТ размер таких частиц уменьшается, а их количество на единице площади скола увеличивается (табл. 2); они равномерно распределены по поверхности скола.

Максимальное количество дисперсных частиц наблюдается при концентрации Ф-УНТ, равной 0.05—0.1 мас. %, что соответствует образцам с максимальным значением модуля упругости и температуры стеклования (табл. 1). Дальнейший рост концентрации Ф-УНТ приводит к слиянию

Таблица 1. Зависимость Ед и Т композита от содержания Ф-УНТ-5 для системы ЭД-22-ДАФДС (режим отверждения 1 ч при 120°С, 4 ч при 160°С)

Концентрация Ф-УНТ-5, мас. % Ед, МПа Т&, С

0 2.3 168

0.01 2.8 190

0.05 4.3 188

0.10 4.0 185

0.50 3.8 182

мелких частиц и образованию агломератов неправильной формы.

Взаимное расположение дисперсных частиц на отдельных участках поверхности скола позволяет предположить, что они ориентированы вдоль Ф-УНТ, или словно "бусины" нанизаны на нанотрубку. Подтверждением этого предположения является по

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком