Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (3), 291-303.

Теплові та механічні властивості композитів епоксидної смоли з неокисненим графеном за малого вмісту графену



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.291

N. V. Sigareva, B. M. Gorelov, O. V. Mistchanchuk, D. L. Starokadomsky

Анотація


Досліджено теплофізичні та механічні властивості композитів епоксидної смоли з неокисненими графеновими частинками. Частинки були отримані електрохімічним методом та мають структуру блоків завтовшки біля 50 нм. Концентрація частинок у композитах становила С = 1.0, 2.0 і 5.0 % для теплофізичних досліджень та 0.01, 0.1, 0.5 і 1.0 % для механічних експериментів.

Теплофізичні виміри деструкції композитів виконані методом термопрограмованої десорбції з мас-спектрометричною реєстрацією летких продуктів в інтервалі температур 40–800 °С. Основним ефектом введення неокиснених графенових частинок є різке збільшення термічної стійкості композиту та зменшення кількості виділених продуктів деструкції Qi при малому вмісті графену C ≤ 1 %. Зі збільшенням концентрації наповнення, значення Qi немонотонно зменшується та має максимум при C = 2.0 %.

Були визначені концентраційні залежності кількості виділенних продуктів терморозкладання та їхньої енергії активації десорбціїї. Енергія активації десорбції Ed для атомних фрагментів, розрахована за формулою Вігнера – Поляні, зменшується. Значення Ed неістотно та немонотонно зростає та має максимум при концентрації графену C = 2 %. Показано, що залежність Ed (С) корелює зі зміною Qi (С).

Запропоновані моделі, які описують поведінку теплофізичних та механічних параметрів. Межа міцності на стискання та модулі пружності визначені для епоксикомпозитів з вмістом графену не більше 1%. Виявлено, що параметри немонотонно змінюються з максимумом при C = 0.01 %. Відсутність кореляції між поведінкою механічних параметрів і термічною стійкістю графенових композитів пов’язана з багатьма причинами. Зміна механічних параметрів зумовлена варіацією еластичних та конформаційних деформацій полімерних ланцюгів від вмісту графенового наповнювача в полімері. Зростання термостабільності зумовлено частковим перерозподілом теплового потоку на міжфазній поверхні електронною підсистемою графену з подальшим зниженням енергії коливань атомів на межі поділу фаз.


Ключові слова


епоксидний композит; неокиснений графен; хімічна стійкість; механічні властивості

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Kim H., Abdala A.A., Macosko C.W. Graphene/polymer nanocomposites. Macromolecules. 2010. 43: 6515. https://doi.org/10.1021/ma100572e

2. McNamara A.J., Joshi Y., Zhang Z.M. Characterization of nanostructured thermal interface materials - a review. Int. J. Therm. Sci. 2012. 62: 2. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2011.10.014

3. Paszkiewicz S., Szymczyk A., Sui X.M., Wagner H.D., Linares A., Cirera A., Varea A., Ezquerra T.A., Rosłaniec Z. Electrical conductivity and transparency of polymer hybrid nanocomposites based on poly(trimethylene terephthalate) containing single walled carbon nanotubes and expanded graphite. J. Appl. Polym. Sci. 2017. 134(1): 44370. https://doi.org/10.1002/app.44370

4. Yapeng Chen, Jingyao Gao, Qingwei Yan, Xiao Hou, Shengcheng Shu, Mingliang Wu, Nan Jiang, Xinming Li, Jian-Bin Xu, Cheng-Te Lin, Jinhong Yu. Advances in graphene-based polymer composites with high thermal conductivity. Veruscript Funct. Nanomater. 2018. 2(11): OOSB06. https://doi.org/10.22261/OOSB06

5. Meng Wang, Xidong Duan, Yuxi Xu, Xiangfeng Duan Functional Three-Dimensional Graphene/Polymer Composites. ACS Nano. 2016. 10(8): 7231. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b03349

6. Dhand V., Rhee K.Y., Kim H.J., Jung, D.H. A comprehensive review of graphene nanocomposites: research status and trends. J. Nanomater. 2013. 1: 2013. https://doi.org/10.1155/2013/763953

7. Potts J.R., Dreyer D.R., Bielawski C.W., Ruoff R.S. Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer. 2011. 52(1): 5. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2010.11.042

8. Singh V., Joung D., Zhai L., Das S., Khondaker S.I., Seal S. Graphene-based materials: Past, present and future. Prog. Mater. Sci. 2011. 56(8): 1178. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2011.03.003

9. Chang K-Ch., Hsu M-Hs., H-I Lu., M-C.Lai., P-Ju Liu.,C-H.Hsu., W-F.Ji., T-Li Chuang., Y.Wei., J-M.Yeh., W-R. Liu. Room-temperature cured hydrophobic epoxy/graphene composites as corrosion inhibitor for cold-rolled steel. Carbon. 2014. 66: 144. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.08.052

10. Wang Y., Zhan H.F., Xiang Y., Yang C., Wang C.M., Zhang Y.Y. Effect of covalent functionalization on thermal transport across graphene-polymer interfaces. J. Phys. Chem. 2015. 119(22): 12731. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b02920

11. Andres P.L., Ramírez R., Vergés J.A. Strong covalent bonding between two graphene layers. Phys. Rev. B. 2008. 77: 045403. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.045403

12. Balandin A.A., Ghosh S., Bao W., Calizo I., Teweldebrhan D., Miao F., Lau C.N. Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano Lett. 2008. 8(3): 902. https://doi.org/10.1021/nl0731872

13. Pop E., Mann D., Wang Q., Goodson K., Dai H. Thermal Conductance of an Individual Single- Wall Carbon Nanotube above Room Temperature. Nano Lett. 2006. 6(1): 96. https://doi.org/10.1021/nl052145f

14. Faugeras C., Faugeras B., Orlita M., Potemski M., Nairs R.S., Geim A.K. Thermal Conductivity of Graphene in Corbino Membrane Geometry. ACS Nano. 2010. 4(4): 1889. https://doi.org/10.1021/nn9016229

15. An Li, Cong Zhang, Yang-Fei Zhang. Thermal Conductivity of Graphene-Polymer Composites: Mechanisms, Properties, and Applications. Polymers. 2017. 9(9): 437. https://doi.org/10.3390/polym9090437

16. Atif R., Shyhai I., Mamad F. Mechanical, Thermal, and Electrical Properties of of Graphene Epoxy Nanocomposites-A Review. Polymers. 2016. 8(8): 281. https://doi.org/10.3390/polym8080281

17. Atif R., Shyha I., Inam F. Modeling and experimentation of multi-layered nanostructure graphene-epoxy nanocomposites for enhanced thermal and mechanical properties. J. Compos. Mater. 2016. 51(2): 209. https://doi.org/10.1177/0021998316640060

18. Young R.J, Kinloch I.A, Gong L., Novoselov K.S. The mechanics of graphene nanocomposites: A review. Compos. Sci. Technol. 2012. 72(12): 1459. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2012.05.005

19. Rafiee M.A., Rafiee J., Wang Z., Song H., Yu Z.Z., Koratkar N. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano. 2009. 3(12): 3884. https://doi.org/10.1021/nn9010472

20. Arun G.K., Sreenivas N., Kesari B.R., Sai Krishna Reddy K., M.E. Shashi Kumar, Pramod R. Investigation on Mechanical Properties of Graphene Oxide reinforced GFRP. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. 310(1): 012158. https://doi.org/10.1088/1757-899X/310/1/012158

21. Aradhana R., Mohanty S., Nayak S.K. Comparison of mechanical, electrical and thermal properties in graphene oxide and reduced graphene oxide filled epoxy nanocomposite adhesives. Polymer. 2018. 141: 109. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2018.03.005

22. Sung-Chiun Shiu, Jia-Lin Tsa. Characterizing thermal and mechanical properties of graphene epoxy nanocomposites. Composites. Part B. Engineering. 2014. 56(1): 691. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.09.007

23. Alshammari B.A., Al-Mubaddel F.S., Karim M.R., Hossain M., Al-Mutairi A.S., Wilkinson A.N. Addition of Graphite Filler to Enhance Electrical, Morphological, Thermal, and Mechanical Properties in Poly (Ethylene Terephthalate): Experimental Characterization and Material Modeling. Polymers. 2019. 11(9): 1411. https://doi.org/10.3390/polym11091411

24. Tang L.C., Wan Y.J., Yan D., Pei Y.B., Zhao L., Li Y.B., Wu L.B., Jiang J.X., Lai G.Q. The effect of graphene dispersion on the mechanical properties of graphene/epoxy composites. Carbon. 2013. 60: 16. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.03.050

25. Xin Liu, Xiao-Yu Shao, Le-Ying Wang, Hai-Feng He, Guan-Biao Fang. Thermal stability and mechanical properties of solution mixing-processed co-polyamide-graphene composites at extremely low graphene loading. High Performance Polymers. 2018. 30(1): 16. https://doi.org/10.1177/0954008316674344

26. Jun Y.-S., Um J.G., Jiang G., Lui G.Yu. Ultra-large sized graphene nano-platelets (GnPs) incorporated polypropylene (PP)/GnPs composites engineered by melt compounding and its thermal, mechanical, and electrical properties. Composites Part B: Engineering. 2018. 133: 218. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.09.028

27. Trusiano G., Matta S., Bianchi M., Rizzi L.G., Frache A. Evaluation of nanocomposites containing graphene nanoplatelets: Mechanical properties and combustion behaviour. Polym. Eng. Sci. 2019. 59(10): 2062. https://doi.org/10.1002/pen.25206

28. Jun Y.-S., Um J.G., Jiang G., Lui G. Yu. A study on the effects of graphene nano-platelets (GnPs) sheet sizes from a few to hundred microns on the thermal, mechanical, and electrical properties of polypropylene (PP)/GnPs composites. Express Polymer Letters. 2018. 12(10): 885. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2018.76

29. Ajorloo M., Fasihi M., Ohshima M., Taki K. How are the thermal properties of polypropylene/graphene nanoplatelet composites affected by polymer chain configuration and size of nanofiller? Mater. Des. 2019. 181(5): 108068. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108068

30. Alshammari B.A., Al-Mubaddel F.S., Karim M.R., Hossain M., Al-Mutairi A.S., Wilkinson A.N. Addition of Graphite Filler to Enhance Electrical, Morphological, Thermal, and Mechanical Properties in Poly (Ethylene Terephthalate): Experimental Characterization and Material Modeling. Polymers. 2019. 11(9): 1411. https://doi.org/10.3390/polym11091411

31. Jeon G.W., An J., Jeong Y.G. High performance cellulose acetate propionate composite reinforced with exfoliated graphene. Composites Part B: Engineering. 2012. 43(8): 3412. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.01.023

32. Shahina Riaz, Soo-Jin Park. Thermal and Mechanical Interfacial Behaviors of Graphene oxide-Reinforced Epoxy Composites Cured by Thermal Latent Catalyst. Materials. 2019. 12(8): 1354. https://doi.org/10.3390/ma12081354

33. Tarani E., Bikiaris D., Terzopoulou Z., Kyrasti T., Chrissatis K., Vourlias G. Thermal conductivity and degradation behavior of HDPE-graphene composites. J. Therm. Anal. Calorim. 2017. 129: 1715. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6342-0

34. Gorelov B., Gorb A., Nadtochiy A., Starokadomsky D., Kuryliuk V., Shulga S., Ogenko V., Korotchenkov O., Polovina O. Loading effects in thermal properties of epoxy filled with bare and oxidized multi-layered graphene nanoplatelets: a comparative study. J. Mater. Sci. 2019. 54(12): 9247. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03523-7

35. Pascault J.P., Williams R.J. Epoxy polymers: New materials and innovations. (Weinheim: John Wiley & Sons Inc., 2010). https://doi.org/10.1002/9783527628704

36. Xia Z.Y., Pezzini S., Treossi E., Giambastiani G., Corticelli F., Morandi V., Zanelli A., Bellani V., Palermo V. The exfoliation of graphene in liquids by electrochemical, chemical, and sonication-assisted techniques: a nanoscale study. Adv. Funct. Mater. 2013. 23(37): 4684. https://doi.org/10.1002/adfm.201370188

37. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. (London, New York: Academic Press, 1982).

38. Grassie N., Scott G. Polymer degradation and stabilization. In: Cambridge University Press. (Cambridge, 1988).

39. Guo Y., Zhang H., Liu Y. Desorption characteristics and kinetic parameters determination of molecular sieve by thermogravimetric analysis/differential thermogravimetric analysis technique. Adsorp. Sci. Techol. 2018. 36(11): 1389. https://doi.org/10.1177/0263617418772665




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.291

Copyright (©) 2020 N. V. Sigareva, B. M. Gorelov, O. V. Mistchanchuk, D. L. Starokadomsky