Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата
Дослiджено температурну та концентрацiйну залежностi теплопровiдностi композитiв на основi полiцiануратних сiток, якi наповненi вуглецевими нанотрубками (ВНТ). При масовiй концентрацiї ВНТ близько 0,03% виявлено стрибкоподiбне пiдвищення провiдностi тепла, що супроводжується рiзким зростанням темпер...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18715 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата / В.В. Корсканов, Л.В. Бардаш, A. М. Файнлейб // Доп. НАН України. — 2009. — № 9. — С. 144-148. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-18715 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Корсканов, В.В. Бардаш, Л.В. Файнлейб, A.М. 2011-04-08T17:34:32Z 2011-04-08T17:34:32Z 2009 Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата / В.В. Корсканов, Л.В. Бардаш, A. М. Файнлейб // Доп. НАН України. — 2009. — № 9. — С. 144-148. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18715 541.64:538.953 Дослiджено температурну та концентрацiйну залежностi теплопровiдностi композитiв на основi полiцiануратних сiток, якi наповненi вуглецевими нанотрубками (ВНТ). При масовiй концентрацiї ВНТ близько 0,03% виявлено стрибкоподiбне пiдвищення провiдностi тепла, що супроводжується рiзким зростанням температурного коефiцiєнта теплопровiдностi dλ/dT. The temperature and concentration dependence of the thermal conductivity of the composites based on a polycyanurate network filled with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are investigated. For the MWCNTs content of about 0.03 wt. %, the stick-slip increase of the thermal conduction accompanied with a sharp increase of the temperature coefficient of thermal conductivity dλ/dT has been found. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Хімія Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата Effect of the small additives of carbon nanotubes on the thermal conductivity of the nanocomposites based on polycyanurate network Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата |
| spellingShingle |
Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата Корсканов, В.В. Бардаш, Л.В. Файнлейб, A.М. Хімія |
| title_short |
Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата |
| title_full |
Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата |
| title_fullStr |
Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата |
| title_full_unstemmed |
Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата |
| title_sort |
эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата |
| author |
Корсканов, В.В. Бардаш, Л.В. Файнлейб, A.М. |
| author_facet |
Корсканов, В.В. Бардаш, Л.В. Файнлейб, A.М. |
| topic |
Хімія |
| topic_facet |
Хімія |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Effect of the small additives of carbon nanotubes on the thermal conductivity of the nanocomposites based on polycyanurate network |
| description |
Дослiджено температурну та концентрацiйну залежностi теплопровiдностi композитiв на основi полiцiануратних сiток, якi наповненi вуглецевими нанотрубками (ВНТ). При масовiй концентрацiї ВНТ близько 0,03% виявлено стрибкоподiбне пiдвищення провiдностi тепла, що супроводжується рiзким зростанням температурного коефiцiєнта теплопровiдностi dλ/dT.
The temperature and concentration dependence of the thermal conductivity of the composites based on a polycyanurate network filled with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are investigated. For the MWCNTs content of about 0.03 wt. %, the stick-slip increase of the thermal conduction accompanied with a sharp increase of the temperature coefficient of thermal conductivity dλ/dT has been found.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18715 |
| citation_txt |
Эффект малых добавок углеродных нанотрубок на теплопроводность нанокомпозитов на основе сетчатого полицианурата / В.В. Корсканов, Л.В. Бардаш, A. М. Файнлейб // Доп. НАН України. — 2009. — № 9. — С. 144-148. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT korskanovvv éffektmalyhdobavokuglerodnyhnanotruboknateploprovodnostʹnanokompozitovnaosnovesetčatogopolicianurata AT bardašlv éffektmalyhdobavokuglerodnyhnanotruboknateploprovodnostʹnanokompozitovnaosnovesetčatogopolicianurata AT fainleibam éffektmalyhdobavokuglerodnyhnanotruboknateploprovodnostʹnanokompozitovnaosnovesetčatogopolicianurata AT korskanovvv effectofthesmalladditivesofcarbonnanotubesonthethermalconductivityofthenanocompositesbasedonpolycyanuratenetwork AT bardašlv effectofthesmalladditivesofcarbonnanotubesonthethermalconductivityofthenanocompositesbasedonpolycyanuratenetwork AT fainleibam effectofthesmalladditivesofcarbonnanotubesonthethermalconductivityofthenanocompositesbasedonpolycyanuratenetwork |
| first_indexed |
2025-11-26T07:02:42Z |
| last_indexed |
2025-11-26T07:02:42Z |
| _version_ |
1850616302534656000 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
9 • 2009
ХIМIЯ
УДК 541.64:538.953
© 2009
В.В. Корсканов, Л. В. Бардаш, A. М. Файнлейб
Эффект малых добавок углеродных нанотрубок
на теплопроводность нанокомпозитов на основе
сетчатого полицианурата
(Представлено членом-корреспондентом НАН Украины Ю.Ю. Керчой)
Дослiджено температурну та концентрацiйну залежностi теплопровiдностi компози-
тiв на основi полiцiануратних сiток, якi наповненi вуглецевими нанотрубками (ВНТ).
При масовiй концентрацiї ВНТ близько 0,03% виявлено стрибкоподiбне пiдвищення про-
вiдностi тепла, що супроводжується рiзким зростанням температурного коефiцiєнта
теплопровiдностi dλ/dT .
Полицианураты (ПЦ) являются перспективными термостойкими полимерными матрицами
для композиционных материалов, которые применяются в аэрокосмической и электронной
областях промышленности. ПЦ характеризуются уникальным комплексом ценных физиче-
ских и механических свойств: высокой термической стабильностью, высокой температурой
стеклования (до 300 ◦С в зависимости от строения мономера и степени сшивки), высокой
адгезией к различным подложкам (металлам, стеклу, керамике и т. д.), стойкостью в горя-
чей влажной среде, низкими диэлектрическими потерями и низким водопоглощением, что
делает их особенно привлекательными. Эта уникальная комбинация свойств объясняется
высокой регулярностью структуры полициануратной сетки, которая образуется при ступен-
чатом (step by step) подъеме температуры в результате реакции полициклотримеризации
циановых эфиров бисфенолов по следующей схеме [1, 2]:
144 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №9
В отличие от большинства сетчатых полимеров при синтезе ПЦ отсутствуют лю-
бые побочные процессы, что приводит к формированию практически бездефектной сет-
ки [1, 2].
Известно, что одним из наиболее эффективных и перспективных методов модифика-
ции свойств полимерных материалов и их смесей является введение нанонаполнителей [3].
В последнее время в качестве наполнителей для получения нанокомпозитов (НК) исполь-
зуются углеродные нанотрубки (УНТ). Благодаря их высоким термическим, физическим
и физико-механическим характеристикам, а также высокому соотношению длина/диаметр
в УНТ (как правило, выше 1000) можно достичь требуемых показателей НК даже при
очень малом содержании нанонаполнителя [3]. Синтез НК ведет к созданию новых компо-
зиционных материалов, которые превосходят по комплексу характеристик традиционные
композиты при значительно меньшем содержании наполнения, что позволяет снизить вес
изделий, таких, например, как элементы летательных аппаратов. Недавно появились пер-
вые публикации, посвященные модификации полициануратов УНТ [4, 5], где зафиксирова-
но повышение термических и физико-механических показателей ПЦ в результате введения
в систему небольших количеств (0,5% по массе) УНТ.
Введение УНТ в матрицу линейного полимера значительно (в несколько раз) улучша-
ет теплопроводные свойства полимерных НК [6]. Глобальное (на несколько порядков) по-
вышение теплопроводности достигается, если в сформированной структуре НК частицы
нанонаполнителя зафиксированы в высокоориентированном положении [7]. Есть основа-
ния ожидать, что комбинация высокорегулярная сетка ПЦ/наночастицы УНТ позволит
получать НК с уникальными теплопроводящими свойствами.
Для синтеза нанокомпозитов олигомер цианового эфира бисфенола А марки PRIMASET
ВА230 (75%-й раствор в метилэтилкетоне) производства швейцарской фирмы Lonza смеши-
вали с многостенными нанотрубками (массовое содержание УНТ, %: 0,02, 0,03, 0,04, 0,05,
0,06, 0,08, 0,50, 1,00, 1,20) производства ТМ “Спецмаш” (Украина, г. Киев) при воздействии
ультразвука (44 кГц) в течение 45 мин, используя ультразвуковой диспергатор УЗДН-2Т
(Россия). Затем полученную смесь вакуумировали (0,13 кПа) при 150 ◦С в течение 4 ч
и отверждали при ступенчатом подъеме температуры от 150 до 280 ◦С в продолжение 11 ч.
Образцы ∼ 1 мм толщиной для измерений изготавливали между стеклянными пластинами
с антиадгезионным покрытием. Для определения теплопроводности вырезали диски диаме-
тром 15 мм. Теплопроводность (λ) в режиме монотонного нагрева определяли с помощью
модернизированного промышленного прибора для измерения теплопроводности ИТ-λ-400
в температурном интервале 323–373 К.
Температурные зависимости λ исследованных нанокомпозитов иллюстрирует рис. 1.
При незначительном массовом содержании (w) нанонаполнителя 0,02% λ несколько по-
нижается, тогда как при w > 0,03% наблюдается скачкообразное ее повышение. Резкое
повышение температурного коэффициента dλ/dT от 1,07 · 10−4 до 1,13 · 10−3 Вт/(м · К2)
в этой же области концентраций свидетельствует об изменении состава структурного эле-
мента (СЭ), ответственного за λ [8].
Дальнейшее монотонное повышение λ с увеличением содержания УНТ может быть ре-
зультатом изменения соотношения компонентов, составляющих СЭ. Исходя из предположе-
ния, что СЭ представлен в виде суперпозиции одномерных, плоских (двухмерных) и трех-
мерных структурных компонентов (СК), и учитывая скачкообразный характер повышения
λ с увеличением содержания w, теплопроводность при w > 0,03% описываем следующим
образом [9]:
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №9 145
λ = λкр + A1(w − wкр) + A2(w − wкр)2 + A3(w − wкр)3, (1)
где wкр — критическая концентрация, λкр — теплопроводность НК при wкр. Очевидно,
что слагаемое A1(w − wкр) соответствует линейной составляющей СЭ, слагаемое A2(w −
− wкр)
2 — двухмерной и слагаемое A3(w − wкр)3 — трехмерной составляющим [10, 11].
Проведенные расчеты показали, что экспериментальные данные во всем исследованном
температурном интервале удовлетворительно описываются уравнением (1) (относительная
погрешность расчетов менее 3%). В качестве примера на рис. 2 приведен сравнительный
график зависимости λ от w для температур 323 и 373 К.
Экстраполяция значений λ к нулевому содержанию полимера позволила не только оце-
нить теплопроводность УНТ, но и получить зависимость λ = f(T ) для нанонаполнителя
(рис. 3). Рассчитанные таким образом значения теплопроводности УНТ хорошо согласую-
тся с литературными данными [12, 13].
С другой стороны, соотношение коэффициентов A1, A2 и A3 может служить мерой
вклада каждого СК в общую теплопроводность НК. Согласно проведенным расчетам, наи-
Рис. 1. Температурная зависимость теплопроводности образцов ПЦ/УНТ.
Массовое содержание УНТ, %: 1 — 0; 2 — 0,02; 3 — 0,03; 4 — 0,04; 5 — 0,05; 6 — 0,06; 7 — 0,08; 8 — 0,50;
9 — 1,00; 10 — 1,20
Рис. 2. Зависимость теплопроводности образцов ПЦ/УНТ от содержания УНТ. Штриховая линия соот-
ветствует расчетным значениям, полученным по уравнению (1)
146 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №9
Рис. 3. Температурная зависимость теплопроводности УНТ
Рис. 4. Соотношение СК по трем размерностям: а — T = 323 К, б — T = 373 К; 1, 1
′ — одномерные СК;
2, 2
′ — плоские СК; 3, 3
′ — трехмерные
большее содержание линейных СК изначально заложено в геометрии УНТ. Относительно
высокий вклад в теплопроводность трехмерных СК может быть обусловлен наличием не-
диспергированных агломератов УНТ в образцах нанокомпозитов (рис. 4, а). И, наконец,
малая вероятность образования плоских СК приводит к их наименьшему вкладу в общую
теплопроводность. При повышении температуры до 373 К происходит дальнейшее умень-
шение вклада плоских СК за счет увеличения других составляющих, главным образом
линейных СК (см. рис. 4, б ).
В результате проведенных исследований при массовой концентрации УНТ ∼ 0,03% было
определено скачкообразное повышение проводимости тепла; проведена оценка теплопровод-
ности УНТ и получена ее температурная зависимость, проанализирован взаимный вклад
линейных, плоских и трехмерных структурных образований в общую теплопроводность НК.
По нашему мнению, такой результат достигнут благодаря удачной комбинации малодефект-
ная термостабильная сетка ПЦ — нанонаполнитель с высокой степенью анизометрии.
1. Chemistry and Technology of Cyanate Ester Resins. Glasgow / Ed. by I. Hamerton. – London: Chapman
& Hall, 1994. – 357 p.
2. Fainleib A., Grigoryeva O., Pissis P. Modification of Polycyanurates by Polyethers, Polyesters and Poly-
urethanes. Hybrid and Interpenetrating Polymer Networks // Focus on Natural and Synthetic Polymer
Science / Ed. by C. Vasile, G. Zaikov. – New York: Nova Sci. Publish., 2006. – Ch. 3. – P. 49–84.
3. Friedrich K., Fakirov S., Zhang Z. Polymer composites. From Nano – to Macro-Scale. – Berlin: Springer,
2005. – 367 p.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №9 147
4. Fang Z., Wang J., Gu A. Structure and Properties of Multiwalled Carbon Nanotubes/Cyanate Ester
Composites // Polym. Eng. Sci. – 2006. – 46. – P. 670–679.
5. Hopkins R., Lipeles R. Preparation and characterization of single wall carbon nanotube-reinforced poly-
cyanurate nanocomposites // Polymer Preprints. – 2005. – 46(2). – P. 787.
6. Hong W.T. Tai N.H. Investigations on the thermal conductivity of composites reinforced with carbon
nanotubes // Diamond & Related Materials. – 2008. – 17. – P. 1577–1581.
7. Chen Y.M., Ting J.M. Ultra high thermal conductivity polymer composites // Carbon. – 2002. – 40. –
P. 359–362.
8. Годовский Ю.К. Теплофизика полимеров. – Москва: Химия, 1982. – 280 с.
9. Kirkpatrick S. Percolation and conduction // Rev. Mod. Phys. – 1973. – 45, No 4. – P. 574–582.
10. де Жен П. Идеи скейлинга в физике полимеров / Пер. с англ. – Москва: Мир, 1982. – 370 с.
11. Cipriano B.H., Kota A.K., Gershon A.L. et al. Conductivity enhancement of carbon nanotube and nanofi-
ber-based polymer nanocomposites by melt annealing // Polymer. – 2008. – 49. – P. 4846–4851.
12. Sishen X., Li W., Pan Z. et al. Carbon nanotube arrays // Materials Sci. and Eng. – 2000. – 286, No 1. –
P. 11–15.
13. Hammel E., Tang X., Trampert M. et al. Carbon nanofibers for composite applications // Carbon. – 2004. –
42, No 5./6. – P. 1153–1158.
Поступило в редакцию 04.02.2009Институт химии высокомолекулярных
соединений НАН Украины, Киев
V.V. Korskanov, L.V. Bardash, A. M. Fainleib
Effect of the small additives of carbon nanotubes on the thermal
conductivity of the nanocomposites based on polycyanurate network
The temperature and concentration dependence of the thermal conductivity of the composites based
on a polycyanurate network filled with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are investigated.
For the MWCNTs content of about 0.03 wt. %, the stick-slip increase of the thermal conduction
accompanied with a sharp increase of the temperature coefficient of thermal conductivity dλ/dT
has been found.
148 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №9
|