Как известно, углеродные нанотрубки (УНТ) обладают рекордной прочностью, которая характеризуется величиной модуля Юнга, достигающей терапаскалей. Практическое использование этого замечательного свойства УНТ в области создания сверхпрочных материалов затруднено в силу чрезвычайно малых размеров, а также весьма высокой стоимости получения УНТ.

Наиболее эффективный путь к решению данной проблемы связан с созданием нанокомпозитов, т. е. полимерных материалов, содержащих некоторое, весьма небольшое количество УНТ. При этом главная трудность состоит в обеспечении хорошего механического сопряжения между поверхностью нанотрубки и молекулами полимерной матрицы. При отсутствии такого сопряжения нанотрубка внутри матрицы ведет себя подобно волосу в пироге, не повышая, а скорее снижая прочность материала.

Если не предпринимать специальных действий, то полимер, модифицированный УНТ, должен обладать повышенной ползучестью, что не позволяет говорить об улучшении его механических характеристик. В связи с этим усилия многих исследователей направлены на создание достаточно прочных химических связей между УНТ и молекулами, входящими в состав полимерной матрицы. Из недавних публикаций на данную тему можно упомянуть работу, выполненную в Политехническом институте штата Нью-Йорк, авторы которой сосредоточили свое внимание на явлении ползучести полимеров, модифицированных УНТ. В эксперименте использовали коммерческие образцы однослойных УНТ длиной от 5 до 30 мкм и диаметром между 1 и 2 нм.

Рис. 1. Зависимость относительного растяжения образца эпоксидного полимера, содержащего 0,1% УНТ, от времени (пунктир). Для сравнения приведена аналогичная зависимость для полимера, не содержащего УНТ (сплошная линия)

Чистота образцов превышала 95% (масс.). В качестве полимерной матрицы использовали эпоксидную смолу с температурой стеклования 90^оС. Суспензию, состоящую из 300 мг поверхностно-активного вещества с добавлением 2 мл ацетона, и 0.001 – 1% (масс.) нанотрубок, тщательно перемешивали в течение 15 мин., после чего в течение 30 мин. подвергали ультразвуковой обработке. Полученную однородную смесь вводили в эпоксидную смолу и также подвергали перемешиванию и ультразвуковой обработке. Прогрев образца в течение 10 час. при 50^оС приводил к испарению ацетона.

Затем образец вновь охлаждали, и в него вводили 75 мг препарата, способствующего дегазации в вакууме при комнатной температуре. После добавления консерванта образцы выдерживали в течение 24 часов при комнатной температуре и давлении около 5,5 атм. Механические испытания полученных образцов проводили при длительной нагрузке 100 атм.

Результат испытаний, представляющий временную зависимость относительного растяжения образца, измеренную при постоянной нагрузке, сравнивается на рис. 1 с аналогичной зависимостью, полученной для подобного образца, не содержащего УНТ.

Как видно, образец полимера, содержащий УНТ, характеризуется примерно на 30% меньшей ползучестью по сравнению с исходным композитом. Результаты исследований указывают на немонотонную зависимость ползучести от содержания нанотрубок в образце. Оптимальное содержание составляет 0,1 – 0,2%, при более высоких содержаниях УНТ эффект уменьшается и окончательно пропадает при давлении около 300 атм. Эффект уменьшения ползучести композитов при добавлении УНТ падает по мере роста нагрузки, что объясняется разрушением связи между поверхностью нанотрубки и молекулами полимерной матрицы.

Однако подобного падения не происходит при увеличении температуры от комнатной до 55^оС. Интересно отметить, что описанный эффект снижения ползучести полимеров наблюдается только при добавлении однослойных УНТ и полностью отсутствует при добавлении как многослойных нанотрубок, так и фуллеренов.

Автор: А.В.Елецкий

1. W Zhang et al. Nanotechnology 18, 185703 (2007)