Investigation of composites based on polymer compounds with carbon nanotubes
Исследование композитов на основе соединений полимера с углеродными нанотрубками
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.
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.
пиролизованный полиакрилонитрил, углеродные нанотрубки, молекулярный кластер, полимерные композиты, химическая адсорбция, энергетические расчеты, ширина запрещенной зоны, стабильные комплексы, взаимодействие, наноматериалы.
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.
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.