Как известно, введение в полимер наноуглеродных материалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) или графен приводит к существенному изменению электрических, механических и оптических свойств полученного композита. Достаточно введения небольшого, менее 1%, количества УНТ для того, чтобы перевести композит в класс проводящих материалов. Такой эффект обусловлен высокой проводимостью и высоким аспектным отношением УНТ, благодаря которому перколяционный перенос заряда происходит уже при весьма небольшом содержании УНТ.

Наряду с проводимостью, наноуглеродные частицы обладают рекордными механическими характеристиками, что открывает возможность их использования в качестве присадки для модификации механических свойств полимеров.

Работы в этом направлении, проводимые во многих лабораториях мира, не привели пока к значительным достижениям, что связано с трудностью решения проблемы механического сопряжения поверхности УНТ или графена с полимерной матрицей.

Однако исследования, выполненные недавно группой специалистов из Швейцарии [1], показали, что наряду с прямым механизмом изменения механических характеристик полимерного материала в результате введения наноуглеродных частиц, имеется также косвенный механизм, связанный с повышением степени кристалличности полимера в результате такого процесса. Наноуглеродные частицы способствуют повышению среднего размера полимерных молекул, что приводит к изменению механических свойств композита.

В качестве присадки к полимеру авторы использовали многослойные УНТ диаметром 10–20 нм и длиной более 1 мкм, а также графеновые нанопластинки (ГНП) толщиной 6–15 нм и средним диаметром 25 мкм. В качестве полимера использовали полиамидную смолу РА12. Сначала таблетки РА12 массой 4 г в течение 48 ч прогревали при 60^оС, а затем вместе с присадкой помещали в гомогенизатор (время – 180 с, температура – 190^оС, скорость – 180 об./мин).

Массовое содержание присадки УНТ либо ГНП в образцах составляло 0.05 %, 0.1 % и 0.5 %.

Полученный композитный материал свивали стандартным способом в волокна при температуре 220^оС. Образцы волокон исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа, оптического микроскопа, широкоугольного рентгеновского дифрактометра, а также стандартного оборудования для механических испытаний.

Результаты этих исследований указывают на существование значительных (размером до 10 мкм) областей агломерации примесных наночастиц, что должно отрицательно влиять на механические характеристики композита.

Несмотря на это испытания продемонстрировали значительное, до четырехкратного, увеличение механической прочности волокна в результате добавления менее 1% наноуглеродных частиц. Этот результат можно видеть из представленных на рисунке зависимостей растяжения от усилия, полученных для композитов различного состава.

Рис. 1.

Как видно, введение присадки приводит к многократному увеличению модуля Юнга (отношение усилия к растяжению) композита. При этом наибольший эффект наблюдается в случае композита с присадкой 0.5% ГНП. Результаты рентгенографических измерений показывают, что

данный эффект связан с увеличением степени кристалличности полимера, сопровождающем повышение содержания присадки в композите. По мнению авторов, углеродные наночастицы служат центрами кристаллизации полимера, поэтому их добавление способствует увеличению длины полимерных цепей. При этом УНТ в качестве присадки оказываются более эффективными, чем ГНП.

1. S.Chatterjee et al, Chem. Phys. Lett. 557, 92 (2013).