CC BY
21
УДК: 678.01.53:537.87:623.62:620.22:661.66 Нагорная В.С., Осипчик В.С. , Соловьянчик Л.В.
ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ САЖЕЙ
Нагорная Валерия Сергеевна, студентка 1 курса магистратуры кафедры технологии переработки пластмасс; e-mail: nagornaya.valera@yandex.ru ;
Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия,125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
Соловьянчик Людмила Владимировна, аспирант 2 курса кафедры материаловедения ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов»; Россия, 105005, Москва, ул. Радио, 17.
В работе предложен метод функционализации углеродных нанотрубок электростатической сажей. Изготовлены образцы электропроводящих покрытий на основе эпоксидной матрицы, проведены исследования их электропроводящих и адгезионных характеристик. Установлено, что использование углеродных нанотрубок функционализированных сажей позволяет получать покрытия с электропроводностью на уровне покрытий с углеродными нанотрубками и в 3 раза выше по сравнению с покрытиями с сажей. Полученные покрытия обладают адгезионными характеристиками на уровне покрытий с углеродными нанотрубками и значительно лучшими по сравнению с покрытиями сажей.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, электропроводность, сажа, электропроводящие покрытия, углерод, функционализация, эпоксидная матрица.
FUNCTIONALIZATION OF CARBON NANOTUBES ELECTROSTATIC SOOT
Nagornaya V.S. , Osipchik V.S., Solovjanchik L.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Federal state unitary enterprise "Russian research Institute of aviation materials»
The paper proposes a method of carbon nanotubes functionalization of electrostatic soot. Samples of conductive coatings based on epoxy matrix were produced, their conductive and adhesive characteristics were studied. It is established that the use of carbon nanotubes functionalized soot allows to obtain coatings with electrical conductivity at the level of coatings with carbon nanotubes and 3 times higher compared to coatings with soot. The obtained coatings have adhesive characteristics at the level of coatings with CNT and are much better compared to coatings with soot.
Keywords: carbon nanotubes, electrical conductivity, carbon black, conductive coatings, carbon, functionalization, epoxy matrix.
Введение
Для большинства полимерных
композиционных материалов (ПКМ) существуют проблемы накопления зарядов статического электричества, приводящего к образованию искрового разряда и, как следствие, к возникновению очагов пожара. Одним из основных методов решения данной проблемы является применение электропроводящих грунтов и красок, что также позволяет защищать ПКМ от внешних факторов. Преимущественно в качестве электропроводящего наполнителя используют металлические частицы, например, серебро [1], что является экономически невыгодно, а также углеродные частицы, например, электростатическая сажа [2], обеспечивающие поверхностное сопротивление не менее 102 Ом/см. Также за последнее десятилетие было широко исследовано применение углеродных нанотрубок (УНТ) в составе ПКМ, описанное в следующих обзорных статьях [3, 4 - 7], обладающие проводимостью до 10-2 См/см.
В обзорной статье [8], посвященной электропроводящим материалам с УНТ установлено,
что одним из факторов, которые определяют величину электропроводности, является характер распределения наполнителя по объему. Для направленного распределения используют два типа функционализации: ковалентную, например, прививая функциональные группы в газовой фазе [9], что является достаточно сложным технологическим процессом, а также нековалентную, путем введения в систему различных модификаторов. В работе [10] описан метод нековалентной модификации УНТ фторкремнийорганическим сополимером,
позволяющим повышать электропроводность материала путем фазового распада, однако, использование данного метода может негативно сказаться на механических характеристиках материала.
В настоящей работе предложен метод функционализации УНТ электростатической сажей для придания электропроводящих свойств покрытиям на основе эпоксидной матрицы. Изготовлены образцы нанокомпозитных покрытий, исследованы их электропроводящие и адгезионные
характеристики. Исследуемые в работе покрытия могут быть применимы в качестве подслоя для функциональных полимерных покрытий. Методики эксперимента и обсуждение
В работе были использованы в качестве полимерной матрицы эпоксидная смола, представляющая из себя растворенный в толуоле эпихлоргидрин с дифенилпропаном, отверждаемая полиамидной смолой, УНТ марки «Таунит-МД» производства «НаноТехЦентр» г. Тамбов, электростатическая сажа.
Измерения поверхностного сопротивления проводились на Потенциостате Р-301 (ЕНш) методом Ван-Дер-Пау [4].
Измерения адгезии покрытия проводили методом решетчатого надреза по ГОСТ 31149-2014.
В работе были получены три типа покрытий с концентрациями наполнителя 5 и 10 %: покрытия с УНТ, покрытия с сажей, покрытия с УНТ, функционализированными сажей.
Для функционализации УНТ, нанотрубки совместно с сажей в соотношении 1:1 диспергировали при помощи ультразвукового погружного диспергатора в ацетоне до образования объемной пены.
Для получения покрытий необходимое количество наполнителя диспергировали в ацетоне при помощи погружного диспергатора в течение 4 минут, после чего добавляли в раствор полимерной матрицы и перемешивали в закрытой таре не менее 3ч. Полученные композиции наносили на подложку из полиамида в 4 -5 слоев при помощи пульверизатора с промежуточной сушкой 20 - 30 мин. После нанесения финального слоя образцы сушили в вытяжном шкафу при комнатной температуре в течение 17 часов.
Полученные покрытия представляют из себя плотные пленки черного цвета без посторонних включений толщиной 240 - 280 мкм (рис. 1).
— ТШЙШШИМ
ИНВНИ
^ ■ т
гаШэ ШРШШШШШшШЗ
ШШр ^ШШщРВ щй РРЙ б) !
Рис. 1. Фотография покрытия с УНТ(а) и УНТ+сажа(б)
Результаты эксперимента
Для исследования электропроводящих свойств, на образцы наклеивались токопроводящие шины в четыре угла. Сопротивление измерялось методом Ван-Дер-Пау при постоянном токе 20 мА. В таблице 1 представлены результаты измерения
поверхностного сопротивления полученных образцов методом Ван-Дер-Пау.
Таблица 1. Поверхностное электрическое сопротивление образцов__
Концентрация, % Тип наполнителя
УНТ УНТ+са жа (1:1) Сажа
0 10 Ом
5 1000-1100 1300- 4500-
Ом 1400 Ом 5000 Ом
10 250-350 750-850 3000-
Ом Ом 3800 Ом
Из представленных данных видно, что образцы с УНТ обладают наименьшем поверхностным сопротивлением (230 - 350) Ом для 10% и (1,0 - 1,1) КОм для 5%. Поверхностное сопротивление покрытий с сажей лежит в диапазоне (3 - 5) КОм. А покрытия с УНТ и сажей обладают поверхностным сопротивлением (1,3 - 1,4) КОм для 5% и (750 - 850) Ом для 10%.
Данные результаты позволяют утверждать, что использование в составе покрытий сочетание УНТ и сажи позволяет снижать поверхностное сопротивление по сравнению с образцами на основе «чистой» сажи, а поскольку данные материалы является родственными, предположительно, это происходит без фазового разделения, соответственно не должно влиять на механические характеристики.
Одной из основных характеристик любого покрытия является его адгезия к подложке, в данном случае к полиамидной. В таблице 2 представлены результаты измерения адгезии полученных покрытий к подложке из полиамида.
Таблица 2. Адгезионные характеристики покрытий
Тип наполнителя
Концентрация, % УНТ УНТ + сажа Сажа
5 1 1 3
10 2 2 3
Из представленных данных видно, что наилучшими адгезионными характеристиками 1 балл обладают покрытия с 5 % УНТ и 5% УНТ+сажа. На данных образцах при отрыве нет признаков отслаивания, в отличие от образов с 5 и 10% сажи, адгезия которых составляет 3 балла. При отрыве данные покрытия отслаивались по границам решетки, что связано с крупной дисперсностью сажи, частички которой друг с другом химически не взаимодействуют. Таким образом,
функционализация УНТ сажей позволяет при снижении содержания УНТ получать электропроводящие покрытия с аналогичными адгезионными характеристиками.
Заключение
В работе предложен метод
функционализации УНТ электростатической сажей. Изготовлены образцы электропроводящих покрытий на основе эпоксидной матрицы, проведены исследования их электропроводящих и адгезионных характеристик.
Установлено, что использование углеродных нанотрубок функционализированных сажей позволяет получать покрытия с
электропроводностью на уровне покрытий с УНТ и в 3 раза выше по сравнению с покрытиями с сажей. Данные покрытия обладают адгезионными характеристиками на уровне покрытий с УНТ и значительно лучшими по сравнению с покрытиями с сажей.
^исок литературы
1. «Электропроводящая краска» Титомир А.К., Платонов Ю.М. Патент на изобретение 2041694. Россия.
2. Плугин Ал.А. Электропроводящие покрытия для защиты от электрокоррозии: разработка составов // ISSN 2079-0821. Вкник НТУ «ХП1». - 2013. - №64 (1037) . -С. 13-18.
3. Fan-Long J., Soo-Jin P. A review of the préparation and properties of carbon nanotubes-reinforced polymer composites //Carbon Letters. - 2011. -Vol. 12 . -No. 2. - pp. 57-69.
4. Bauhofer W., Kovacs J.Z. A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites //Composites Science and Technology. -2009. - V. 69. - P. 1486-1498.
5. Polymer-carbon nanotube composites. Preparation, properties and applications. Edited by Tony McNally and Petra Pötschke. Woodhead Publishing Limited. -2011. - 820 р.
6. Carbon Nanotubes - Polymer Nanocomposites // Edited by Siva Yellampalli. Published by InTech . -2011. - 396 р.
7. Иржак В.И. Эпоксидные композиционные материалы с углеродными нанотрубками //Успехи химии . - 2011 . - №8. - С. 821-839.
8. Кондрашов С.В., Шашкеев К.А., Попков О.В., Соловьянчик Л.В. Перспективные технологии получения функциональных материалов конструкционного назначения на основе нанокомпозитов с УНТ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. -2016. -№3. - С. 7. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 05.07.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-3-7-7.
9. Дьячкова, Т.П. «Газофазная функционализация углеродных нанотрубок»/ Т.П. Дьячкова/ZLAP Lambert Academic Publishing. Saarbrucken. -2015. -C. 108.
10. Кондрашов Э.К. Лакокрасочные покрытия специального назначения //Лакокрасочные материалы и их применения. -1994 . -№11-12. 7с.
