Investigation of composites based on polymer compounds with carbon nanotubes

UDC 544
Publication date: 27.12.2024
International Journal of Professional Science №12-2-2024

Investigation of composites based on polymer compounds with carbon nanotubes

Исследование композитов на основе соединений полимера с углеродными нанотрубками

Panchenko Alexandra Nikolaevna,
Master's Student, Volgograd State University, Volgograd, Russia


Панченко Александра Николаевна,

магистрант, Волгоградский государственный университет, Волгоград, Россия
Аннотация: В данной работе исследуется взаимодействие полимера - пиролизованного полиакрилонитрила (ППАН) с одностенными углеродными нанотрубками (УНТ) типа (3,3). Взаимодействие между ППАН и УНТ моделировалось с использованием различных ориентаций нанотрубки: параллельно-продольной, параллельно-поперечной и перпендикулярной. Результаты расчетов (расчеты проводились двумя методами методом DFT с потенциалом B3LYP и полуэмпирическим PM6) показали, что стабильные комплексы образуются только при перпендикулярной ориентации УНТ, что подтверждается наличием химических связей и значительным снижением ширины запрещенной зоны по сравнению с чистым ППАН. Полученные данные подчеркивают потенциал использования углеродных нанотрубок для улучшения свойств полимерных композитов.

Abstract: In this paper, the interaction of a polymer, pyrolyzed polyacrylonitrile (PPAN), with single-walled carbon nanotubes (CNTs) of type (3,3) is investigated. The interaction between PPAN and CNT was modeled using different nanotube orientations: parallel-longitudinal, parallel-transverse, and perpendicular. The calculation results (calculations were carried out by two methods, the DFT method with a B3LYP potential and a semi-empirical PM6) showed that stable complexes are formed only with a perpendicular orientation of the CNT, which is confirmed by the presence of chemical bonds and a significant decrease in the band gap compared with pure PPAN. The data obtained highlight the potential of using carbon nanotubes to improve the properties of polymer composites.
Ключевые слова: пиролизованный полиакрилонитрил, углеродные нанотрубки, молекулярный кластер, полимерные композиты, химическая адсорбция, энергетические расчеты, ширина запрещенной зоны, стабильные комплексы, взаимодействие, наноматериалы.

Keywords: pyrolyzed polyacrylonitrile, carbon nanotubes, molecular cluster, polymer composites, chemical adsorption, energy calculations, band gap, stable complexes, interaction, nanomaterials.


Современные материалы с улучшенными механическими и электрическими свойствами играют ключевую роль в различных отраслях, включая электронику, энергетику и медицину [1]. Пиролизованный полиакрилонитрил (ППАН) является одним из таких материалов, обладающим высокой термостойкостью и прочностью [2]. В последние годы углеродные нанотрубки (УНТ) привлекают внимание исследователей благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая прочность, легкость и отличная проводимость. Взаимодействие ППАН с УНТ может привести к созданию новых полимерных композитов с улучшенными характеристиками  [3-12].

В работе рассматривается молекулярный кластер слоя пиролизованного полиакрилонитрила, состоящий из 118 атомов: 72% составляют атомы углерода, 17,8% — атомы азота и 10,2% — атомы водорода (рис. 1), который взаимодействовал с наполнителем — одностенными углеродными нанотрубками типа (3,3), кластер которых содержал 60 атомов углерода. Из-за геометрических особенностей кластера ППАН было введено два обозначения для определенности — «вдоль кластера» и «поперек кластера», это четко показано стрелками на рисунке 1.

 

Читать далее…

References

1. Multi-scale numerical simulations on piezoresistivity of CNT/polymer nanocomposites / B. Hu, N. Hu, Yu. Li [et al.] // Nanoscale Research Letters. 2012. – Vol. 7, No. 1. P. 1-11. DOI 10.1186/1556-276x-7-402.
2. Давлетова О. А. Структура и электронные характеристики пиролизованного полиакрилонитрила : специальность 05.27.01 "Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах" : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Давлетова Олеся Александровна. – Волгоград, 2010. – 17 с.
3. Крестинин А. В. Эффективность применения углеродных нанотрубок для упрочнения конструкционных полимеров // Российские нанотехнологии. – 2019. – Т. 14, № 9-10. – С. 18-34. – DOI 10.21517/1992-7223-2019-9-10-18-34.
4. Zeynalov E. B., Agaguseynova M. M., Salmanova N. I., 2020. Effect of nanocarbon additives on stability of polymer composites. ChemChemTech. Vol. 63, No. 11. P. 4-12. DOI 10.6060/ivkkt.20206311.6213.
5. Kudryavtsev P. Beilin D., 2021. Carbon nanotubes (CNT): preparation, properties, polymer and cementious composites with using CNT review. Scientific Israel - Technological Advantages. Vol. 23, No. 3-4. P. 3-54.
6. Zare Y., Rhee K. Y., 2020. Polymer tunneling resistivity between adjacent carbon nanotubes (CNT) in polymer nanocomposites. Journal of Physics and Chemistry of Solids. Vol. 147. P. 109664. DOI 10.1016/j.jpcs.2020.109664.
7. Minakov A. A., Schick C., 2019. Nanoscale Heat Conduction in CNT-POLYMER Nanocomposites at Fast Thermal Perturbations / A. A. Minakov, // Molecules. Vol. 24, No. 15. DOI 10.3390/molecules24152794.
8. Arena A., Taló M., Lacarbonara W., Snyder M. P., 2020. Enhancing flutter stability in nanocomposite thin panels by harnessing CNT/polymer dissipation.Vol. 104. P. 103495. DOI 10.1016/j.mechrescom.2020.103495.
9. Modeling the impact of glass transition on the frequency-dependent complex conductivity of CNT-polymer nanocomposites / X. Xia, Z. Du, J. Zhang [et al.] // Mechanics of Materials. 2022. Vol. 165. P. 104195. DOI 10.1016/j.mechmat.2021.104195.
10. Patnaik S. S., Roy T., 2021. Viscoelastic and mechanical properties of CNT-reinforced polymer-based hybrid composite materials using hygrothermal creep. Polymers and Polymer Composites. Vol. 29, No. 9_suppl. P. S1386-S1402. DOI 10.1177/09673911211052730.
11. Ma Q., Hao B., Ma P. C., 2022. In-situ characterization on the fracture behavior of three dimensional polymer nanocomposites reinforced by CNT sponge. Composites Science and Technology. Vol. 217. P. 109132. DOI 10.1016/j.compscitech.2021.109132.
12. Kallumottakkal M., Hussein M. I., Haik Y., Latef T. B. A., 2021. Functionalized-CNT polymer composite for microwave and electromagnetic shielding. Polymers. Vol. 13, No. 22. DOI 10.3390/polym13223907.