Команда ученых НИТУ «МИСиС» совместно с Тамбовским государственным техническим университетом, Томским политехом и университетом Нигерии представила новый композиционный материал с уникальной объемной внутренней структурой на основе модифицированных углеродных нанотрубок. Разработанный электропроводный композит может быть применим для создания полимерных обогревательных элементов, саморегулирующихся греющих кабелей, электродов катодной защиты.

Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Composites Science and Technology.

Электропроводящие полимеры сочетают в себе проводниковые свойства металлов, а также низкий удельный вес, высокие механические свойства и коррозионную стойкость полимерных материалов, что открывает новые возможности для конструирования электродов систем катодной защиты трубопроводов и емкостного оборудования, кабельных оболочек для защиты от электромагнитных потерь и коронного разряда.

Высокая электропроводность обычно связана с большой степенью наполнения полимеров функциональными электропроводными добавками, тогда как сохранение хороших механических свойств возможно только при их низкой концентрации.

Решая этот парадокс, многие исследователи во всем мире стремятся снизить содержание электропроводящих наполнителей. Одним из эффективных путей решения этой задачи является структурирование наполнителя в объеме связующего, создание упорядоченных проводящих (перколяционных) сеток частиц наполнителя. В подавляющем большинстве случаев такое структурирование сопряжено со значительным усложнением и удорожанием технологии.

Морфология исходных компонентов и структура полученного композита под электронным микроскопом

Международный коллектив ученых решил задачу по созданию локализованных структур наполнителя и снижению перколяционного порога с помощью традиционных технологий прямого прессования полимеров, что позволило обеспечить высокую электропроводность полимерного материала при минимальном содержании наполнителя и недорогой технологии получения изделий.

«Мы показали возможность создания композитов, содержащих многослойные углеродные нанотрубоки (МУНТ), которые формируют каркасные микронные структуры в объеме матрицы полиметиленметакрилата (ПММА). Формируемая стабильная перколяционная сетка обеспечивает высокую электропроводность полученного материала при минимальной концентрации наполнителя», – рассказал научный сотрудник кафедры ФНиВТМ НИТУ «МИСиС» Игорь Бурмистров.

Модификация материала йодом обеспечивает дополнительное повышение электропроводности и защиту от биологических факторов деструкции при эксплуатации элементов катодной защиты в естественном грунте.

«При легировании йодом электропроводность этих композитов увеличивается на сотни процентов, что связано со снижением потенциальных барьеров переноса заряда между отдельными нанотрубками в объеме композита», – поясняет Игорь Бурмистров.

Области применения созданных электропроводных композитов разнообразны, но главное – это создание функциональных материалов с заданными показателями электропроводности и диэлектрической проницаемости, улучшенной антикоррозионной и антибактериальной устойчивостью. Они позволят создавать новые перспективные полимерные электродные элементы для защиты металлических элементов различных строительных конструкций, нефте- и газопроводов, механизмов, работающих в морской воде.