Введение наноуглеродных структур в качестве присадки к полимерным материалам придает образующимся композитам новые свойства. Даже небольшого количества такой присадки (на уровне процента) может оказаться достаточным для качественного изменения свойств композита.

Так, в результате введения менее 1% углеродных нанотрубок (УНТ) в полимерный материал проводимость композита возрастает более чем на 10 порядков величины. При этом наблюдается также рост коэффициента теплопроводности (на 2–3 порядка) и модуля упругости (на десятки процентов). Столь значительное изменение характеристик композитного материала в результате введения наноуглеродных присадок обусловлено чрезвычайно высокими значениями электрических, механических и теплофизических параметров этих материалов.

Такими же особенностями, наряду с УНТ, обладают и слои графена, представляющие собой двумерную гексагональную решетку, образованную атомами углерода. Поэтому графен, так же как и УНТ, используется в экспериментах по модификации электрических, механических и теплофизических свойств полимерных материалов.

Один из таких экспериментов выполнен недавно группой исследователей (Тайвань, Швейцария, Англия). В качестве материала присадки использовали графеновые хлопья, полученные в результате обработки частиц нанокристаллического графита концентрированной азотной и серной кислотой. Полученный после обработки порошок промывали дистиллированной водой, а затем просушивали в течение 3 ч при 100^оС. Последующий резкий нагрев порошка до 1000^оС приводил к 50–100-кратному увеличению объема материала и снижению его плотности до уровня ~ (3–5)х10^-3 г/см³.

Этот материал состоял из графеновых пластин (ГП). С целью обеспечения хорошего сопряжения присадки с полимерной матрицей и удаления металлических частиц катализатора пластины в течение 24 ч обрабатывали в 9М растворе азотной кислоты, что приводило к функционализации графена радикалами карбоксила. В последующем карбоксильные группы замещали аминными радикалами. В качестве полимерной матрицы использовали эпоксидную смолу, а в качестве отвердителя – ароматический диамин.

Для удаления пузырьков и остатков растворителя образцы композита ГП/полимер различного состава с добавлением 20% (по массе) отвердителя подвергали механическому перемешиванию с последующей вакуумной обработкой при 40^оС. Результаты измерений зависимости твердости и модуля упругости образцов от содержания присадки показаны на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости твердости (а) и модуля упругости (b) образцов композита от содержания ГП (масс. %).

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности композита
от содержания ГП (масс. %).

На рис. 2 приведена зависимость коэффициента теплопроводности композита от содержания присадки. Как видно, наблюдается нелинейное изменение параметров композита (10–30 %) при относительно небольшом содержании присадки (на уровне 1%).

Немонотонный характер зависимости механических характеристик композита от содержания присадки обусловлен, по мнению авторов, агрегацией графеновых пластин, снижающей степень однородности материала и проявляющейся при повышенных содержаниях присадки.