Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (3), 219-226.

Зв’язки sp3 гібридизації в композитах «полімер – вуглецеві нанотрубки»



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.03.219

M. Kartel, L. Karachevtseva, W. Bo, Yu. Sementsov, V. Trachevskyi, O. Bakalinska, O. Lytvynenko, V. Onyshchenko

Анотація


Досліджено можливості підсилення властивостей композитів «полімер – багатошарові вуглецеві нанотрубки». Вуглецеві нанотрубки є одним з найбільш анізотропних матеріалів і мають надзвичайно високі значення модуля Юнга. Оцінено вплив sp3-гібридизаційних зв'язків на кристалізацію та зміцнення полімерів у композитних плівках поліетиленіміну, поліаміду та поліпропілену з вуглецевими нанотрубками. Після формування композиту «поліетиленімін – вуглецеві нанотрубки» були виміряні максимальні значення ІЧ-поглинання в області sp3-гібридизаційних зв’язків на частоті первинних аміногруп поліетиленіміну. Суттєве підвищення ІЧ-поглинання на частотах sp3-гібридизаційних зв'язків поліпропілену та поліаміду-6 з вуглецевими нанотрубками визначається коливаннями, відповідно, γω(CН) та γω(CH2) в результаті утворення C-C зв’язків в полімерних ланцюгах, що підвищує кристалізацію полімерів та міцність композитів. Піки залежностей ІЧ-поглинання від вмісту вуглецевих нанотрубок на частотах sp3-гібридизаційних зв’язків описуються 1D-гауссовою кривою для рівняння дифузії в електричному полі. Таким чином, спосіб підвищення міцності композитів «полімер – багатошарові вуглецеві нанотрубки» - це кристалізація полімера в результаті трансформації C-C зв’язків в полімерних ланцюгах, підтриманої резонансами коливань первинних аміногруп, γω(CН) та γω(CH2) в електричному полі між нанотрубкою і полімерною матрицею. При цьому міцність на розрив, наприклад, для композиту поліамід-6 при 0.25 % вуглецевих нанотрубок збільшується в 1.7 разів, а деформація розтягування - в 2.3 рази.


Ключові слова


полімерні композити; багатостінні вуглецеві нанотрубки; зв’язки sp3; електричне поле

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Treacy M., Ebbesen T., Gibson J. Exceptionally high Young's modulus observed for individual carbon nanotubes. Nature. 1996. 381: 678. https://doi.org/10.1038/381678a0

2. Bokobza L. Multiwall carbon nanotube elastomeric composites. Polymer. 2007. 48(17): 4907. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2007.06.046

3. Bauhofer W., Kovacs,J. A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites. Compos. Sci. Technol. 2009. 69(10): 1486. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.018

4. Lacerda L., Bianco A., Prato M., Kostarelos M. Carbon nanotubes as nanomedicines: from toxicology to pharmacology. Adv. Drug Deliv. Rev. 2006. 58(14): 1460. https://doi.org/10.1016/j.addr.2006.09.015

5. Wilder W., Venema L., Rinzler A., Smalley, R., Dekker C. Electronic structure of atomically resolved carbon nanotubes. Nature. 1998. 391: 59. https://doi.org/10.1038/34139

6. Fan S., Chapline M., Franklin N., Tombler T., Cassell A., Dai H. Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their field emission properties. Science. 1999. 283(5401): 512. https://doi.org/10.1126/science.283.5401.512

7. Wei B., Vajtai R., Ajayan P. Reliability and current carrying capacity of carbon nanotubes. Appl. Phys. Lett. 2001. 79(8): 1172. https://doi.org/10.1063/1.1396632

8. Zou G., Jain H., Zhou H., Williams D., Zhou V, McCleskey D., Burrell A., Jia Q. Vertical connection of carbon nanotubes to silicon at room temperature using a chemical route. 2009. Carbon. 47(4): 933. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2008.11.017

9. Kompan M., Aksyanov I. Near-UV narrow-band luminescence of polyethylene and polytetrafluoroethylene. Phys. Solid State. 2009. 51(5): 1083. https://doi.org/10.1134/S1063783409050291

10. Karachevtseva L., Kartel M., Lytvynenko, O., Onyshchenko, V., Parshyn K., Stronska O. Formation of carbon sp3 hybridization bonds in local electric fields of composites "polymer-CNT". Adv. Mater. Lett. 2017. 8: 322. https://doi.org/10.5185/amlett.2018.1964

11. Thostenson E., Ren Z., Chou T-W. Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review. Compos. Sci. Technol. 2001. 61(13): 1899. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(01)00094-X

12. Awasthi K., Srivastava A., Srivastava O. Synthesis of carbon nanotubes. J. Nanosci. Nanotechnol. 2005. 5(10): 1616. https://doi.org/10.1166/jnn.2005.407

13. Krimm S. Infrared spectra of high polymers. Fortschritte Der Hochpolymeren-Forschung. 1960. 51. https://doi.org/10.1007/BFb0050351

14. Miyake A. Infrared spectra and crystal structures of polyamides. J. Polymer Sci. 1960. 44(143): 223. https://doi.org/10.1002/pol.1960.1204414319

15. Onyshchenko V., Karachevtseva L. Conductivity and photo-induced conductivity of two-dimensional macroporous silicon structures. Ukr. J. Phys. 2013. 58(9): 846. https://doi.org/10.15407/ujpe58.09.0846

16. Resanova N., Kartel M., Sementsov Yu., Prikhod'ko G., Melnik I., Tsebrenko M. Rheological properties of molten mixtures of polypropylene/copolyamide/carbon nanotubes. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2011. 2(4): 451.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.03.219

Copyright (©) 2019 M. Kartel, L. Karachevtseva, W. Bo, Yu. Sementsov, V. Trachevskyi, O. Bakalinska, O. Lytvynenko, V. Onyshchenko