ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 549:54.055
DOI: 10.18503/1995-2732-2024-22-4-134-143
Аннотация
В статье представлен анализ кремнийорганических эластомеров, модифицированных многослойными углеродными нанотрубками (МУНТ) с металлизированной поверхностью, которые были синтезированы СВЧ-методом, и МУНТ, полученными по CVD-технологии. Анализировалось влияние металлизации поверхности МУНТ на электро- и теплофизические параметры. Полученные данные показали термостабильность исследуемых образцов при воздействии переменного электрического напряжения, обусловленную устойчивостью образованной структуры к электрическому току. Следует отметить, что для всех образцов характерно наличие эффекта саморегуляции температуры, выраженной в снижении мощности тепловыделения при повышении температуры до 40°С. Установлено улучшение распределения температурного поля для нагревательного элемента на основе кремнийорганического эластомера, содержащего МУНТ с модификацией поверхности. Для МУНТ без модификации поверхности при температуре окружающей среды ‒40°С на 50-м цикле нагревательный элемент работал на удельной электрической мощности, равной 1,1 кВт/м2, а на 100-м цикле происходило ухудщение структурных свойств проводящего наполнителя и, как следствие, снижение удельной мощности до 0,3 кВт/м2. В то же время металлизация МУНТ позволила повысить мощность нагревательного элемента на 27%, обусловленное увеличением электропроводности вследствие большей площади металлического контакта между отдельными МУНТ, и при этом снизить интенсивность деградации токопроводящих структур после 100-го цикла и выше. Тем самым повысив термостабильность полимерного композита, работающего на переменном электрическом напряжении. При равной концентрации МУНТ в эластомерах, для металлизированных МУНТ наблюдаются значительно лучшие электро- и теплофизические харакетристики, что связано с улучшением процессов теплопереноса при одновременном улучшении электропроводности.
Ключевые слова
катализатор, многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), кремнийорганический эластомер, металлизация поверхности, температурное поле, СВЧ-синтез, CVD-метод
Для цитирования
Сравнительный анализ кремнийорганических эластомеров, модифицированных многослойными углеродными нанотрубками, полученными по СВЧ- и CVD-технологии / Щегольков А.В., Щегольков А.В., Земцова Н.В., Никулин П.Н. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2024. Т. 22. №4. С. 134-143. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2024-22-4-134-143
1. Kowalewska A., Majewska-Smolarek K. Synergistic Self-Healing Enhancement in Multifunctional Silicone Elastomers and Their Application in Smart Materials // Polymers. 2024, vol. 16, 487. DOI: 10.3390/polym16040487
2. Conjugated polymer-based composites for anti-corrosion applications / Dua S., Arora N., Prakashaiah B.G., Saxena R.C., Ganguly S.K., Senthilkumar T. // Progress in Organic Coatings. 2024, vol. 188, 108231. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2024.108231.
3. Liu Z., Zhang Y., Li Y. Superhydrophobic coating for blade surface ice-phobic properties of wind turbines: A review // Progress in Organic Coatings. 2024, vol. 187, 108145.
4. Musa A.A., Onwualu A.P. Potential of lignocellulosic fiber reinforced polymer composites for automobile parts production: Current knowledge, research needs, and future direction // Heliyon. 2024, vol. 10, no. 3, e24683. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e24683.
5. Thermal degradation and fire retardant behaviour of natural fibre reinforced polymeric composites - A Comprehensive Review / Hiremath V.S., Reddy D.M., Mutra R.R., Sajeev A., Dhilipkumar T., Naveen J. // Journal of Materials Research and Technology. 2024. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.04.085.
6. Goyal M., Singh K., Bhatnagar N. Conductive polymers: A multipurpose material for protecting coating // Progress in Organic Coatings. 2024, vol. 187, 108083. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2023.108083.
7. Kumar A., Kumar N. A review on the electrically conductive transparent polymer composites: Materials and applications // Materials Today: Proceedings. 2023. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.07.211.
8. Al-Saleh M.H., Al-Sharman M.M. Influence of carbon nanofiller geometry on EMI shielding and electrical percolation behaviors of polymer composites // Synthetic Metals. 2023, vol. 294, 117314. DOI: 10.1016/j.synthmet.2023.117314.
9. Advances in polymers and composite dielectrics for thermal transport and high-temperature applications / Wang L., Yang C., Wang X., Shen J., Sun W., Wang J., Yang G., Cheng Y., Wang Z. // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023, vol. 164, 107320. DOI: 10.1016/j.compositesa.2022.107320.
10. Smart composite using fibre optic sensors for fluid flow characterization and temperature measurement / Savastru D., Baschir L., Miclos S., Savastru R., Lancranjan I.I. // Composite Structures. 2023, vol. 304, no. 1, 116382. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.116382.
11. Study of thermo-mechanical characteristics of polymer composite materials with embedded optical fibre / Savastru D., Miclos S., Savastru R., Lancranjan I.I. // Composite Structures. 2018, vol. 183, pp. 682-687. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.09.042.
12. Critical review on the characterization, preparation, and enhanced mechanical, thermal, and electrical properties of carbon nanotubes and their hybrid filler polymer composites for various applications / Ali Z., Yaqoob S., Yu J., D'Amore A. // Composites Part C: Open Access. 2024, vol. 13, 100434. DOI: 10.1016/j.jcomc.2024.100434.
13. Dispersion and functionalization of carbon nanotubes for polymer-based nanocomposites: A review / Ma P.-C., Siddiqui N.A., Marom G., Kim J.-K. // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2010, vol. 41, no. 10, pp. 1345-1367. DOI: 10.1016/j.compositesa.2010.07.003.
14. Construction, mechanism and prospective of conductive polymer composites with multiple interfaces for electromagnetic interference shielding: A review / Wang M., Tang X.-H., Cai J.-H., Wu H., Shen J.-B., Guo S.-Y. // Carbon. 2021, vol. 177, pp. 377-402. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.02.047.
15. Ultrafine iron oxide decorated mesoporous carbon nanotubes as highly efficient flame retardant in epoxy nanocomposites via catalytic charring effect / Zhang L., Yang D., Li Z., Zhai Z., Li X., de La Vega J., Wang D.-Y. // Sustainable Materials and Technologies. 2024, vol. 39, e00845. DOI: 10.1016/j.susmat.2024.e00845.
16. The morphology and magnetic properties of iron nanoclusters decorated multiwall carbon nanotubes / Al-Kindi U.S.H., Al-Harthi S.H., Myint M.T.Z., Kyaw H.H., Widatallah H.M., Elzain M.E. // Materials Research Bulletin. 2023, vol. 158, 112061. DOI: 10.1016/j.materresbull.2022.112061.
17. Fan X.-j., Li X. Preparation and magnetic property of multiwalled carbon nanotubes decorated by Fe3O4 nanoparticles // New Carbon Materials. 2012, vol. 27, no. 2, pp. 111-116. DOI: 10.1016/S1872-5805(12)60007-9.
18. Hamelian M., Varmira K., Veisi H. Synthesis heterogeneous and recyclable magnetic nanocatalysts by decorated amino-modified multi-walled carbon nanotubes with iron and silver nanoparticles (MWCNTs-NH2/Fe3O4/Ag NPs) for organic dyes reduction // Inorganic Chemistry Communications. 2023, vol. 158, no. 1, 111566. DOI: 10.1016/j.inoche.2023.111566.
19. Thermal degradation and fire retardant behaviour of natural fibre reinforced polymeric composites – A Comprehensive Review / Hiremath V.S., Reddy D.M., Mutra R.R., Sajeev A., Dhilipkumar T., Naveen J. // Journal of Materials Research and Technology. 2024. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.04.085.
20. Visualizing electronic interactions between iron and carbon by X-ray chemical imaging and spectroscopy – Electronic supplementary information (ESI) available: Experimental details, computational details and Fig. S1–S10 / Chen X., Xiao J., Wang J., Deng D., Hu Y., Zhou J., Yu L., Heine T., Pan X., Bao X.// Chemical Science. 2015, vol. 6, no. 5, pp. 3262-3267. DOI: , 10.1039/c5sc00353a.
21. Study of bamboo-type carbon nanotubes with magnetic iron carbide nanoparticles fabricated by a modified CVD method / Lobo Guerrero A., Rebollo-Plata B., Gallegos J.H.G. et al. // J Nanopart Res 23, 94 (2021). DOI: 10.1007/s11051-021-05207-3
22. Синтез углеродных нанотрубок с помощью СВЧ излучения для модификации эластомера с улучшенной электро- и теплопроводностью / Щегольков А.В., Щегольков А.В., Чумак М.А. и др. // Перспективные материалы. 2024. № 4. С. 54-65. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-4-54-65.
23. Караваева Н.М., Першин Ю.В., Кодолов В.И. Свойства и высокая реакционная способность металл/углеродных нанокомпозитов // Вестник Технологического университета. 2017. Т. 20. № 19. С. 54-56.
24. Исследование влияния сверхмалых количеств металл/углеродного нанокомпозита на структуру поликарбоната / В.В. Тринеева, Ю.В. Першин, С.Г. Быстров, В.И. Кодолов // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17. № 1. С. 126-131.
25. Isoprene Polymerization on Iron Nanoparticles Confined in Carbon Nanotubes / Li X., Zhang L., Tan R.P., Fazzini P.-F., Hungria T., Durand J., Sbastien Lachaize, Wen-Hua Sun, Marc Respaud, Katerina Soulantica, Serp P. // Chemistry - A European Journal. 2015, vol. 21, no. 48, 17437–17444. DOI: 10.1002/chem.201501165
26. Confinement effects on the shape and composition of bimetallic nano-objects in carbon nanotubes / Li X., Hungria T., Garcia Marcelot C., Axet M.R., Fazzini P.-F., Tan R.P., …, Soulantica K. // Chemical Communications. 2016, vol. 52, no. 11, 2362–2365. DOI: 10.1039/c5cc09037g
27. Mugilgeethan Vijendran, Ryosuke Matsumoto, Shinya Taketomi. New understanding of one-dimensional thermal glide of a nano-sized prismatic dislocation loop in bcc iron: an atomic scale study // Materials Today Communications. 2023, vol. 37, 107387. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.107387.
28. Facile microwave synthesis of multi-walled carbon nanotubes for modification of elastomer used as heaters / I. Ali, Alexander Shchegolkov, Aleksey Shchegolkov, M. Chumak, A. Nashchekin, K. Likhachev, G. Imanova, T.A. Kurniawan, M.A. Habila // Polymer Engineering & Science. 2023, 63, pp. 1–11.
29. Применение углеродных нанотрубок, полученных СVD-методом, для суперконденсаторов с электролитом на основе LiPF6 / Щегольков А.В., Липкин М.С., Щегольков А.В., Семенкова А. // Вопросы материаловедения. 2022. №1(109). С. 64-76. DOI: 10.22349/1994-6716-2022-109-1-64-76