Журналов:     Статей:        

Российские нанотехнологии. 2019; 14: 18-34

Эффективность применения углеродных нанотрубок для упрочнения конструкционных полимеров

Крестинин А. В.

https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-9-10-18-34

Аннотация

Введен показатель эффективности использования углеродных нанотрубок (УНТ) в нанокомпозите как отношение нагрузки, которую несут нанотрубки при заданной средней деформации матрицы, к максимально возможной нагрузке, которая может быть передана на нанотрубки при этой деформации. Проведен обзор наилучших опубликованных результатов по упрочнению полимеров с оценкой эффективности в них УНТ. Анализ данных, приведенных в литературе, показал, что в полимерах верхняя граница эффективности УНТ достигается, если внутри полимера образуется сетка связанных друг с другом нанотрубок. Такая сетка может формироваться путем интегрирования нанотрубок в полимерную матрицу через ковалентное связывание нанотрубок молекулярными мостиками либо за счет физических зацеплений нанотрубок между собой. В термопластичных кристаллизующихся полимерах верхняя граница эффективности УНТ достигается также за счет увеличения степени кристалличности и улучшения микроструктуры полимера, в том числе с применением ориентационной вытяжки нанокомпозита. Полимерные нанокомпозиты с УНТ можно считать перспективными для практического применения, если эффективность нанотрубок в них близка к верхнему пределу или превышает его.
Список литературы

1. Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные материалы. Прочность и технология, Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010.

2. Chen J., Gao X., Xu D. // Advances in Materials Science and Engineering. 2019. V. 2019. Article ID 5268267.

3. Kablov E.N., Kondrashov S.V., Yurkov G.Yu. // Nanotechnol. Russ. 2013. V. 8. № 3. P. 163.

4. Gupta R.K., Kennel E., Kim K.-J. Polymer nanocomposites. Handbook. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton London; New York, 2010. 548 p.

5. Badamshina E.R., Gafurova M.P., Estrin Ya.I. // Russ. Chem. Rev. 2010. V. 79. № 11. P. 945.

6. Rakov E.G. // Russ. Chem. Rev. 2013. V. 2. № 1. P. 27.

7. Irzhak T.F., Irzhak V.I. // Polymer Science. A. 2017. V. 59. № 6. P. 791.

8. Qian H., Greenhalgh E.S., Shaffer M.S.P., Bismarck A. // J. Mater. Chem. 2010. V. 20. P. 4751.

9. Moniruzzaman M., Winey K.I. // Macromolecules. 2006. V. 39. P. 5194.

10. Coleman N., Khan U., Blau W.J., Gun’ko Y.K. // Carbon. 2006. V. 44. P. 1624.

11. Min B.G., Chae H.G., Minus M.L., Kumar S. Polymer/carbon nanotube composite fibers – An overview// Functional composites of carbon nanotubes and applications/ Eds. Kwang-Pill Lee, Anantha Iyengar Gopalan, Fernand D.S. Marquis. 2009. P. 43.

12. Yengejeh S.I., Kazemi S.A., Ochsner A. // Computational Materials Science. 2017. V. 136. P. 85.

13. Tsai Ch., Zhang Ch., Jack D.A. et al. // J. Nanosci. Nanothech. 2011. V. 11. P. 2132.

14. Halpin J.C., Karlos J.L. // Polym. Eng. Sci. 1976. V. 16. № 5. P. 344.

15. Krestinin A.V., Dremova N.N., Knerel’man E.I. et al. // Nanotechnologies in Russia. 2015. V. 10. № 7–8. P. 537.

16. Yu M.-F., Bradley S.F., Arepalli S., Ruoff R.S. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. № 24. P. 5552.

17. Krenchel H. Fibre reinforcement. Copenhagen: Akademisk Forlag, 1964.

18. Cox H.L. // Brit. J. Appl. Phys. 1952. V. 3. P. 72.

19. Hull D., Clyne T.W. An introduction to composite materials. Second Edition. Cambridge Solid State Science Series. Cambridge, University press, 1996. 323 p.

20. Wang Z.P., Giselli P., Peijs T. // Nanotechnology. 2007. V. 18. P. 455709.

21. Dvoretskii A.E., Demichev V.I., Alexandrov N.G. et al. // Konstruktsii iz Kompositsionnych Materialov. 2017. № 3. P. 34.

22. Krestinin A.V., Kharitonov A.P. // Polymer Science. B. 2018. V. 60. № 4. P. 516.

23. Крестинин А.В., Шестаков В.Л. Способ ковалентной функционализации углеродных нанотрубок с одновременным ультразвуковым диспергированием для введения в эпоксидные композиции: пат. 2660852 RU. Приоритет от 14.06.2017.

24. Zhu J., Kim J-D., Peng H. et al. // NanoLetters. 2003. V. 3. № 8. P. 1107.

25. Zhu J., Peng H., Rodriguez-Macias F. et al. // Advanced Functional Materials. 2004. V. 14. № 7. P. 643.

26. Wang S., Liang R., Liu T. et al. // Polymer Composites. 2009. V. 30. № 8. P. 1050.

27. Wang S., Liang Z., Liu T. et al. // Nanotechnology. 2006. V. 17. P. 1551.

28. Yuan W., Feng J., Judeh Z. et al. // Chem. Mater. 2010. V. 22. P. 6542.

29. Che J., Yuan W., Jiang G. et al. // Chem. Mater. 2009. V. 21. P. 1471.

30. Kharitonov A.P., Tkachev A.G., Blohin A.N. et al. // Composites Science and Technology. 2016. V. 134. P.161.

31. Kondrashov S.V., Grachev V.P., Akatenkov R.V. et al. // Polymer Science. A. 2014. V. 56. № 3. P. 330.

32. Gojny F.H., Wichmann M.H.G., Fiedler B., Schulte K. // Composite Science and Technology. 2005. V. 65. P. 2300.

33. Bai J. // Carbon. 2003. V. 41. P. 1325.

34. Tucker C.L., Liang E. // Comp. Sci. Technol. 1999. V. 59. P. 655.

35. Lagow R.J., Badachhape R.B., Wood J.L. Margrave J.L. // Chem. Phys., DaltonTrans. 1974. V. 12. P. 1268.

36. Khabashesku V.N. // Russ. Chem. Rev. 2011. V. 80. № 8. P. 705.

37. Smirnova V.E., Govman I.V., Ivan’kova E.M. et al. // Polymer Science. A. 2013.V. 55. № 4. P. 268.

38. Gofman I., Zhang B., Zang W. et al. // J. Polym. Res. 2013. V. 20. P. 258.

39. Qian D., Dickey E.C., Andrews R., Rantell T. // Appl. Phys. Let. 2000. V. 76. № 20. P. 2868.

40. Yu A., Hu H., Bekyarova E. et al. // Composites Science and Technology. 2006. V. 66. P. 1190.

41. Coleman J.N., Cadek M., Blake R. et al. // Adv. Funct. Mater. 2004. V. 14. № 8. P. 791.

42. Zhang X., Liu T., Sreekumar T.V. et al. // Nano Lett. 2003. V. 3. № 9. P. 1285.

43. Ryan K.P., Cadek M., Nicolosi V. et al. // Synthetic Metals. 2006. V. 156. P. 332.

44. Liu T.X., Phang I.Y., Shen L. et al. // Macromolecules. 2004. V. 37. № 19. P.7214.

45. Mahmood N., Islam M., Hameed A. et al. // J. Comp. Mater. 2014. V. 48. № 10. P. 1197.

46. Chen G.X., Kim H.S., Park B.H., Yoon J.S. // Polymer. 2006. V. 47. P. 4760.

47. Safadi B., Andrews R., Grulke E.A. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 84. № 14. P. 2660.

48. Kumar S., Doshi H., Srinivasarao M. et al. // Polymer. 2002. V. 43. P. 1701.

49. Haggenmueller R., Fischer J.E., Winey K.I. // Macromolecules. 2006. V. 39. № 8. P. 2964.

50. Tzavalas S., Drakonakis V., Mouzakis D.E. et al. // Macromolecules. 2006. V. 39. № 26. P. 9150.

51. Minus M.L., Chae H.G, Kumar S. // Polymer. 2006. V. 47. № 11. P. 3705.

52. Ryan K.P., Cadek M., Nicolosi V. et al. // Synthetic Metals. 2006. V. 156. P. 332.

53. Wu T.M., Chen E.C. // J. Polym. Sci. B. Polymer Physics. 2006. V. 44. № 3. P. 598.

54. Ryan K.P., Lipson S.M., Drury A. et al. // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 391. № 4–6. P. 329.

55. Kearns J.C., Shambaugh R.L. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 86. № 8. P. 2079.

56. Kumar S., Doshi H., Srinivasarao M. et al. // Polymer. 2002. V. 43. P. 1701.

57. Andrews R., Jacques D., Rao A.M. et al. // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75. № 3. P. 1329.

58. Gao J., Itkis M.E., Yu A. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 3847.

59. Chae H.G., Minus M.L., Kumar S. // Polymer. 2006. V. 47. № 10. P. 3494.

60. Kumar S., Dang T.D., Arnold F.E. et al. // Macromolecules. 2002. V. 35. № 24. P. 9039.

61. Ruan S., Gao P., Yu T.X. // Polymer. 2006. V. 47. P. 1604.

62. Chae H.G., Sreekumar T.V., Uchida T., Kumar S. // Polymer. 2005. V. 46. P. 10925.

63. Chae H.G., Minus M.L., Rasheed A.R., Kumar S. // Polymer. 2007. V. 48. P. 3781.

64. Liu Y., Kumar S. // Polym. Rev. 2012. V. 54. P. 234.

65. Zhang Y., Song K., Meng J., Minus M.L. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. V. 5. P. 807.

66. https://ocsial.com

Title in english. 2019; 14: 18-34

Efficiency of carbon nanotubes in reinforcing structural polymers

Krestinin A. V.

https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-9-10-18-34

Abstract

The carbon nanotube efficiency index in a nanocomposite is introduced as the ratio of the load carried by carbon nanotubes (CNTs) at given average deformation of a matrix to the maximum possible load that can be transferred to the nanotubes at this deformation. The best published results on polymer strengthening with an assessment of CNT efficiency in them are reviewed. Analysis of the data available in publications shows that the upper boundary of CNT efficiency is reached in polymers if a network of interconnected nanotubes is formed inside the polymer. Such a network can be formed by integrating nanotubes into a polymer matrix through covalent binding of nanotubes or by physical entanglement of nanotubes with each other. In thermoplastic crystallizing polymers, the upper boundary of CNT efficiency can also be reached by increasing the degree of polymer crystallinity due to participation of carbon nanotubes and improvement of microstructure of the polymer including the application of orientational elongation of nanocomposite. Nanocomposites of polymers with CNTs are promising for practical application if nanotube efficiency is close to or exceeds the upper limit in them.

References

1. Bazhenov S.L., Berlin A.A., Kul'kov A.A., Oshmyan V.G. Polimernye kompozitsionnye materialy. Prochnost' i tekhnologiya, Dolgoprudnyi: Izdatel'skii Dom «Intellekt», 2010.

2. Chen J., Gao X., Xu D. // Advances in Materials Science and Engineering. 2019. V. 2019. Article ID 5268267.

3. Kablov E.N., Kondrashov S.V., Yurkov G.Yu. // Nanotechnol. Russ. 2013. V. 8. № 3. P. 163.

4. Gupta R.K., Kennel E., Kim K.-J. Polymer nanocomposites. Handbook. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton London; New York, 2010. 548 p.

5. Badamshina E.R., Gafurova M.P., Estrin Ya.I. // Russ. Chem. Rev. 2010. V. 79. № 11. P. 945.

6. Rakov E.G. // Russ. Chem. Rev. 2013. V. 2. № 1. P. 27.

7. Irzhak T.F., Irzhak V.I. // Polymer Science. A. 2017. V. 59. № 6. P. 791.

8. Qian H., Greenhalgh E.S., Shaffer M.S.P., Bismarck A. // J. Mater. Chem. 2010. V. 20. P. 4751.

9. Moniruzzaman M., Winey K.I. // Macromolecules. 2006. V. 39. P. 5194.

10. Coleman N., Khan U., Blau W.J., Gun’ko Y.K. // Carbon. 2006. V. 44. P. 1624.

11. Min B.G., Chae H.G., Minus M.L., Kumar S. Polymer/carbon nanotube composite fibers – An overview// Functional composites of carbon nanotubes and applications/ Eds. Kwang-Pill Lee, Anantha Iyengar Gopalan, Fernand D.S. Marquis. 2009. P. 43.

12. Yengejeh S.I., Kazemi S.A., Ochsner A. // Computational Materials Science. 2017. V. 136. P. 85.

13. Tsai Ch., Zhang Ch., Jack D.A. et al. // J. Nanosci. Nanothech. 2011. V. 11. P. 2132.

14. Halpin J.C., Karlos J.L. // Polym. Eng. Sci. 1976. V. 16. № 5. P. 344.

15. Krestinin A.V., Dremova N.N., Knerel’man E.I. et al. // Nanotechnologies in Russia. 2015. V. 10. № 7–8. P. 537.

16. Yu M.-F., Bradley S.F., Arepalli S., Ruoff R.S. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. № 24. P. 5552.

17. Krenchel H. Fibre reinforcement. Copenhagen: Akademisk Forlag, 1964.

18. Cox H.L. // Brit. J. Appl. Phys. 1952. V. 3. P. 72.

19. Hull D., Clyne T.W. An introduction to composite materials. Second Edition. Cambridge Solid State Science Series. Cambridge, University press, 1996. 323 p.

20. Wang Z.P., Giselli P., Peijs T. // Nanotechnology. 2007. V. 18. P. 455709.

21. Dvoretskii A.E., Demichev V.I., Alexandrov N.G. et al. // Konstruktsii iz Kompositsionnych Materialov. 2017. № 3. P. 34.

22. Krestinin A.V., Kharitonov A.P. // Polymer Science. B. 2018. V. 60. № 4. P. 516.

23. Krestinin A.V., Shestakov V.L. Sposob kovalentnoi funktsionalizatsii uglerodnykh nanotrubok s odnovremennym ul'trazvukovym dispergirovaniem dlya vvedeniya v epoksidnye kompozitsii: pat. 2660852 RU. Prioritet ot 14.06.2017.

24. Zhu J., Kim J-D., Peng H. et al. // NanoLetters. 2003. V. 3. № 8. P. 1107.

25. Zhu J., Peng H., Rodriguez-Macias F. et al. // Advanced Functional Materials. 2004. V. 14. № 7. P. 643.

26. Wang S., Liang R., Liu T. et al. // Polymer Composites. 2009. V. 30. № 8. P. 1050.

27. Wang S., Liang Z., Liu T. et al. // Nanotechnology. 2006. V. 17. P. 1551.

28. Yuan W., Feng J., Judeh Z. et al. // Chem. Mater. 2010. V. 22. P. 6542.

29. Che J., Yuan W., Jiang G. et al. // Chem. Mater. 2009. V. 21. P. 1471.

30. Kharitonov A.P., Tkachev A.G., Blohin A.N. et al. // Composites Science and Technology. 2016. V. 134. P.161.

31. Kondrashov S.V., Grachev V.P., Akatenkov R.V. et al. // Polymer Science. A. 2014. V. 56. № 3. P. 330.

32. Gojny F.H., Wichmann M.H.G., Fiedler B., Schulte K. // Composite Science and Technology. 2005. V. 65. P. 2300.

33. Bai J. // Carbon. 2003. V. 41. P. 1325.

34. Tucker C.L., Liang E. // Comp. Sci. Technol. 1999. V. 59. P. 655.

35. Lagow R.J., Badachhape R.B., Wood J.L. Margrave J.L. // Chem. Phys., DaltonTrans. 1974. V. 12. P. 1268.

36. Khabashesku V.N. // Russ. Chem. Rev. 2011. V. 80. № 8. P. 705.

37. Smirnova V.E., Govman I.V., Ivan’kova E.M. et al. // Polymer Science. A. 2013.V. 55. № 4. P. 268.

38. Gofman I., Zhang B., Zang W. et al. // J. Polym. Res. 2013. V. 20. P. 258.

39. Qian D., Dickey E.C., Andrews R., Rantell T. // Appl. Phys. Let. 2000. V. 76. № 20. P. 2868.

40. Yu A., Hu H., Bekyarova E. et al. // Composites Science and Technology. 2006. V. 66. P. 1190.

41. Coleman J.N., Cadek M., Blake R. et al. // Adv. Funct. Mater. 2004. V. 14. № 8. P. 791.

42. Zhang X., Liu T., Sreekumar T.V. et al. // Nano Lett. 2003. V. 3. № 9. P. 1285.

43. Ryan K.P., Cadek M., Nicolosi V. et al. // Synthetic Metals. 2006. V. 156. P. 332.

44. Liu T.X., Phang I.Y., Shen L. et al. // Macromolecules. 2004. V. 37. № 19. P.7214.

45. Mahmood N., Islam M., Hameed A. et al. // J. Comp. Mater. 2014. V. 48. № 10. P. 1197.

46. Chen G.X., Kim H.S., Park B.H., Yoon J.S. // Polymer. 2006. V. 47. P. 4760.

47. Safadi B., Andrews R., Grulke E.A. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 84. № 14. P. 2660.

48. Kumar S., Doshi H., Srinivasarao M. et al. // Polymer. 2002. V. 43. P. 1701.

49. Haggenmueller R., Fischer J.E., Winey K.I. // Macromolecules. 2006. V. 39. № 8. P. 2964.

50. Tzavalas S., Drakonakis V., Mouzakis D.E. et al. // Macromolecules. 2006. V. 39. № 26. P. 9150.

51. Minus M.L., Chae H.G, Kumar S. // Polymer. 2006. V. 47. № 11. P. 3705.

52. Ryan K.P., Cadek M., Nicolosi V. et al. // Synthetic Metals. 2006. V. 156. P. 332.

53. Wu T.M., Chen E.C. // J. Polym. Sci. B. Polymer Physics. 2006. V. 44. № 3. P. 598.

54. Ryan K.P., Lipson S.M., Drury A. et al. // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 391. № 4–6. P. 329.

55. Kearns J.C., Shambaugh R.L. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 86. № 8. P. 2079.

56. Kumar S., Doshi H., Srinivasarao M. et al. // Polymer. 2002. V. 43. P. 1701.

57. Andrews R., Jacques D., Rao A.M. et al. // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75. № 3. P. 1329.

58. Gao J., Itkis M.E., Yu A. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 3847.

59. Chae H.G., Minus M.L., Kumar S. // Polymer. 2006. V. 47. № 10. P. 3494.

60. Kumar S., Dang T.D., Arnold F.E. et al. // Macromolecules. 2002. V. 35. № 24. P. 9039.

61. Ruan S., Gao P., Yu T.X. // Polymer. 2006. V. 47. P. 1604.

62. Chae H.G., Sreekumar T.V., Uchida T., Kumar S. // Polymer. 2005. V. 46. P. 10925.

63. Chae H.G., Minus M.L., Rasheed A.R., Kumar S. // Polymer. 2007. V. 48. P. 3781.

64. Liu Y., Kumar S. // Polym. Rev. 2012. V. 54. P. 234.

65. Zhang Y., Song K., Meng J., Minus M.L. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. V. 5. P. 807.

66. https://ocsial.com