Исследование нанокомпозиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с нанонаполнителями из терморасширенного графита или наноразмерных порошков аллюминия

Исследование нанокомпозиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с нанонаполнителями из терморасширенного графита или наноразмерных порошков аллюминия

А.Н. Жигач¹, Н.Г. Березкина¹, И.О. Лейпунский¹, П.Н. Бревнов², Л.А. Новокшонова², И.А.Чмутин², О.А. Кудинова², В.Г. Гринев², В.В. Артемов³.

¹ Учреждение Российской Академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН.

² Учреждение Российской Академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН.

³ Учреждение Российской Академии наук Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН.

Синтез нанокомпозитов проводился методом полимеризационного наполнения, который заключается в каталитической активации поверхности наполнителя и последующей полимеризации мономера на ней.

Для получения слоистого наполнителя в настоящей работе был использован наиболее перспективный способ получения нанопластин графита, основанный на термической эксфолиации окисленного графита. Использовавшийся терморасширенный графит (ТГ, S_уд=25,3 м²/г) представлял собой пористые червеобразные частицы, состоящие из графитовых слоев нанометровой толщины. Степень наполнения полимера терморасширенным графитом составляла от 1 до 12 % объёмных.

Показано, что в зависимости от условий подготовки наполнителя и способа его каталитической активации могут быть получены нанокомпозиты с различной структурной организацией нанослоев графита в полимерной матрице, что оказывает значительное влияние на свойства получаемых нанокомпозитов.

Электронно-микроскопическое исследование нанокомпозитов после полимеризационного наполнения показывает, что в частицах ТГ происходит неравномерное покрытие его нанослоев полимером. При этом глубина проникновения полимера вглубь червеобразной частицы не превышает 20-30 мкм. Со стороны поверхности нанослои графита покрыты толстым слоем СВМПЭ, в то время как на его внутренних слоях полимерное покрытие отсутствует. В червеобразных частицах ТГ, пронизанных полимером, контакты между нанопластинами графита сохраняются. Исследование электропроводности полученных нанокомпозитов показало, что в зависимости от структурной организации нанослоев графита в полимерной матрице порог перколяции составляет от 2 до 5 % об. При этом достигается электропроводимость порядка 0,1 (Ом·см)^-1, что позволяет использовать такие нанокомпозиты в качестве антистатических материалов, а также защитных экранов от электромагнитных излучений. Снижение содержания кислорода положительно влияет на электропроводность материала.

Установлено, что сохранение связей между нанопластинами ТГ снижает предел перколяции по сравнению с обработанным ультразвуком ТГ в несколько раз.

Методом полимеризационного наполнения были синтезированы также нанокомпозиты с матрицей СВМПЭ и наполнением наночастицами алюминия (оксидное и оксидно-нитридное покрытия) до 50% объёмных. Наночастицы алюминия были получены в ИНЭПХФ РАН левитационно-струйным методом Гена-Миллера (S_уд=11-42 м²/г).

Электронно-микроскопические исследования полученных композитов показали, что их насцентные порошки представляют собой рыхлые «капсулы» размером в несколько микронов, внутри которых находятся скреплённые полиэтиленом в ажурную структуру наночастицы алюминия. Установлено, что полиэтилен находится как на поверхности частиц алюминия, так и в виде тяжей толщиной в несколько нанометров между частицами алюминия, при этом, в свою очередь, внутри тяжей также могут находиться наиболее мелкие частицы порошка. При более крупном наполнителе образование таких глобул не наблюдается.

Горячее прессование таких порошков (давление до 1000 бар) практически не приводит к разрушению образовавшихся в насцентном порошке пористых глобул, что существенно снижает механические свойства образцов.

Исследована связь степени наполнения композита и его механических, тепло- и электрофизических свойств.

Настоящая работа поддержана Проектом РФФИ №09-03-12232-офи_м и ПФИ Президиума РАН №21.