УДК 620.3
DOI: 10.18503/1995-2732-2021-19-2-58-67
Аннотация
В настоящей работе установлено влияние многоступенчатой механоактивации многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) на равномерность распределения температурного поля на поверхности наномодифицированного кремнийорганического эластомера. Описана методика предварительной обработки МУНТ перед механоактивацией с целью получения однородного дисперсного состава в результате удаления примесных электропроводящих частиц и уменьшения примесной проводимости. Выявлено влияние каждой из стадий механоактивации на параметры МУНТ. При этом на первой стадии механоактивации МУНТ распределяется в объеме, образуется однородная дисперсная система, что оказывает влияние на эффективность второй основной стадии, вследствие того, что эта стадия влияет на активность МУНТ при взаимодействии с матрицей эластомера, в частности на межфазный контакт между МУНТ и полимерной матрицей. Вторая стадия обеспечивает уменьшение спутанности МУНТ, образованных в отдельные пучки, и повышает эффективность тепловыделений, делая его однородным и равномерным с максимальной температурой, в пике которая достигает 57,1ºС. Исследовано распределение темперартурного поля в центробежном лопастном смесителе «WF-20B» для перемешивания МУНТ с графитом, которое показывает, что кроме механического действия на МУНТ имеется и тепловое воздействие, связаное с переходом механической энергии трения бинарной смеси МУНТ/графит о лопасть и стенки емкости, при этом температура может достигать значения 104,6ºС. Исследованы прочностные характеристики наномодифицированных клеевых композитов на основе полиуретанового эластомера, в результате было выявлено, что механоактивация приводит к улучшению прочности до значения 2,75±5% МПа. Определена наилучшая концентрация бинарной смеси МУНТ/графит в матрице эластомера, равная 3%.
Ключевые слова
Перколяция, многослойные углеродные нанотрубки, механоактивация, тепловыделения, модификация, эластомеры.
Для цитирования
Щегольков А.В. Многоступенчатая механоактивация МУНТ для улучшения перколяционных переходов в системе эластомер/МУНТ: подходы для реализации и практика модификации эластомеров // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т.19. №2. С. 58–67. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-2-58-67
1. Zhan Y., Li Y., Meng Y., Xie Q., Lavorgna M. Electric heating behavior of reduced oxide graphene/carbon nano-tube/natural rubber composites with macro‐porous structure and segregated filler network. Polymers, 2020, vol. 12, no. 10, 2411, pp. 1–14.
2. Bao S.P., Liang G.D., Tjong S.C. Positive temperature coefficient effect of polypropylene/carbon nano-tube/montmorillonite hybrid nanocomposites. IEEE Trans Nanotechnol, 2009, vol. 8, no. 6, pp. 729–736.
3. Jang S.H., Park Y.L. Carbon nanotube-reinforced smart composites for sensing of the freezing temperature and deicing by self-heating. Nanomaterials and Nanotechnology, 2018, vol. 8, no. 7, pp. 1–8.
4. Jia S.-L., Geng H.-Z., Wang L., Tian Y., Xu C.-X., Shi P.-P., Gu Z.-Z., Yuan X.-S., Jing L.-Ch., Guo Z.-Y., Kong J. Carbon nanotube-based flexible electrothermal film heaters with a high heating rate. Royal Society Open Science, 2018, vol. 5, no. 6, pp. 172072.
5. Yao X., Hawkins S.C., Falzon B.G. An advanced antiicing/deicing system utilizing highly aligned carbon nano-tube webs. Carbon, 2018, vol. 136, pp. 130–138.
6. Guangming C., Mengyun Y., Junjie P., Deshan C., Zhigang X., Xin W., Bin T. Large-Scale Production of Highly Stretchable CNT/Cotton/Spandex Composite Yarn for Wearable Applications. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, vol. 10, no. 38, pp. 32726–32735.
7. Cai G., Yang M., Pan J., Cheng D., Xia Z., Wang X., Tang B. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, vol. 10, no. 38, 32726.
8. Kugler S., Kowalczyk K., Spychaj T. Transparent epoxy coatings with improved electrical, barrier and thermal features made of mechanically dispersed carbon nanotubes. Progress in Organic Coatings, 2017, vol., no. 111, pp. 196–201.
9. Li J., Ma P.-C., Chow W.S., To C.K., Tang B.Z., Kim J.-K. Correlations between percolation threshold, dispersion state, and aspect ratio of carbon nanotubes. Adv. Funct. Mater., 2007, vol. 17, no. 16, pp. 3207–3215.
10. Hu X., Zou C., Huang H. Preparation and characterization of self-supported conductive nanocables based on polyaniline and linear carboxymethyl β-cyclodextrin polymer functionalized carbon nanotubes. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, vol. 608, 125573.
11. Shaolei L., Guangfen L., Run T. Multi-walled carbon nanotubes functionalized with an ultrahigh fraction of car-boxyl and hydroxyl groups by ultrasound-assisted oxidation. J. Mater. Sci., 2016, vol. 51, pp. 3513–3524.
12. Shchegolkov A.V., Yagubov V.S., Khan Y.A., Komarov F.F. Effect of addition of carbon nanotubes on electrical conductance and heat dissipation of elastomers at flow of direct current. Inorg. Mater. Appl. Res., 2020, vol. 11, pp. 1191–1198.
13. Влияние методов формирования полимерных композитных материалов с углеродными нанотрубками на механизмы электропроводности / Ф.Ф. Комаров, А.Г. Ткачев, А.В. Щегольков и др. // Журнал технической физики. 2021. Вып. 3. С. 475–483.
14. Eom J.Y., Kim D.Y., Kwon H.S. Effects of ball-milling on lithium insertion into multi-walled carbon nanotubes synthesized by thermal chemical vapour deposition. Journal of Power Sources, 2006, vol. 157, pp. 507–514.
15. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. 2-е изд., перераб. и доп. Новосибирск: Наука, 1986. 306 с.
16. Пат. 2466333 Российская Федерация, МПК F24H 7/00 B82B 1/00. Электротеплоаккумулирующий нагреватель / В.Ф. Калинин, А.В Щегольков; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет». № 2011118301/06; заявл. 05.05.2011, опубл. 10.11.2012.
17. Щегольков А.В. Применение наномодифицированных полиуретановых композитов для систем защиты от электромагнитных излучений // Технологии и материалы для экстремальных условий (прогнозные исследования и инновационные разработки: материалы Всероссийской научной конференции; под общ. ред. Б.Ф. Мясоедова. Тамбов, 2018. С. 236–241.
18. Щегольков А.В. Применение механоактивации углеродных нанотрубок при наномодифицировании эластомеров // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент: материалы X Международной научно-инновационной молодёжной конференции. Тамбов, 2018. С. 272–274.
19. Mamunya Y.P., Davydenko V.V., Pissis P., Lebedev E.V. Electrical and thermal conductivity of polymers filled with metal powders // European Polymer Journal. 2002. Вып. 38(9). С. 1887–1897.
20. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки / А.В. Елецкий, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, Х.M. Кенни // УФН. 2015. Т. 185. Вып. 3. С. 225–270.
21. Щегольков А.В., Щегольков А.В. Электронагреватели на основе полимеров, модифицированных углеродными наноструктурами с эффектом саморегулирования: электро- и теплофизические свойства: монография. М.: РУСАЙНС, 2021. 144 с.