RU2746103C1

RU2746103C1 - Composite material with oriented carbon nanotubes

Info

Publication number: RU2746103C1
Application number: RU2020123007A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Красновский; Петр Сергеевич Кищук
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2021-04-07

Abstract

FIELD: chemical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of composite materials consisting of a polymer matrix and a filler, which acts as carbon nanotubes (CNTs). This composite material has an increased strength due to the formation of a structure of oriented carbon nanotubes in the polymer matrix using a uniform electric field. The technical result is an increase in the tensile strength due to the structure of oriented carbon nanotubes formed in the polymer matrix using a uniform constant electric field that destroys the agglomerates of carbon nanotubes.

EFFECT: technical result is achieved by the fact that the composite material contains a reinforcement, a polymer binder impregnating it, forming a matrix, carbon nanotubes oriented in the latter along the reinforcement by a uniform constant electric field, and the content of carbon nanotubes is selected in the range from 0.05 to 0.3 vol.%.

1 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области композиционных материалов, состоящих из полимерной матрицы и наполнителя, в роли которого выступают углеродные нанотрубки (УНТ). Данный композиционный материал обладает повышенной прочностью за счет формирования в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного электрического поля.The invention relates to the field of composite materials consisting of a polymer matrix and a filler, in the role of which are carbon nanotubes (CNTs). This composite material has increased strength due to the formation of a structure of oriented carbon nanotubes in the polymer matrix using a uniform electric field.

Известно, что углеродные нанотрубки обладают высокими прочностными характеристиками и могут использоваться для создания полимерных нанокомпозитов (ПНКМ). Однако также известно, что углеродные нанотрубки в больших концентрациях создают агломераты, которые снижают прочностные свойства ПНКМ. Для решения этой проблемы используется множество способов: применение поверхностно-активных веществ (ПАВ), обработка ультразвуком и др. Одним из способов решения данной проблемы является ориентирование углеродных нанотрубок в матрице.It is known that carbon nanotubes have high strength characteristics and can be used to create polymer nanocomposites (PNCM). However, it is also known that carbon nanotubes in high concentrations create agglomerates that reduce the strength properties of PNCM. To solve this problem, many methods are used: the use of surfactants (surfactants), sonication, etc. One of the ways to solve this problem is the orientation of carbon nanotubes in the matrix.

Известен полимерный композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками, получаемый пропиткой матричным материалом массива ориентированных многостенных углеродных нанотрубок, выращенных методом MOCDV, в полимерной композиции под воздействием вакуума, промывку пропитанной матрицы в воде и ее термообработку при температуре не выше температуры деструкции полимерного состава. (Патент РФ №2560382, опубликован 25.08.2015 г.).Known polymer composite material with oriented carbon nanotubes, obtained by impregnating a matrix material of an array of oriented multi-walled carbon nanotubes grown by the MOCDV method, in a polymer composition under the influence of vacuum, washing the impregnated matrix in water and heat treatment at a temperature not higher than the degradation temperature of the polymer composition. (RF patent No. 2560382, published on August 25, 2015).

Недостатком данного материала является высокая трудоемкость, предполагающая изначальное выращивание углеродных нанотрубок в заданном направлении, а также промывку пропитанной матрицы, что усложняет технологический процесс получения полимерного композита.The disadvantage of this material is its high labor intensity, which implies the initial growth of carbon nanotubes in a given direction, as well as the washing of the impregnated matrix, which complicates the technological process of obtaining a polymer composite.

Известен нанокомпозиционный материал получения нанокомпозита на основе слоистого углеродного композиционного материала с высоким сопротивлением к расслаиванию с ориентированными углеродными нанотрубками в магнитном поле (патент РФ 2380232, опубликован 27.01.2010 г.).Known nanocomposite material for obtaining a nanocomposite based on a layered carbon composite material with high resistance to delamination with oriented carbon nanotubes in a magnetic field (RF patent 2380232, published on January 27, 2010).

Недостатками данного материала является высокая трудоемкость, которая заключается в предварительном модифицировании углеродных нанотрубок, а также ориентирование нанотрубок в направлении, перпендикулярном слоям, что является причиной анизотропии слоистого нанокомпозита и его ослабления в направлении расположения слоев материала.The disadvantages of this material are the high labor intensity, which consists in the preliminary modification of carbon nanotubes, as well as the orientation of the nanotubes in the direction perpendicular to the layers, which is the reason for the anisotropy of the layered nanocomposite and its weakening in the direction of the material layers.

Наиболее близким к заявленному материалу является композиционный материал, содержащий арматуру, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу, углеродные нанотрубки, ориентированные в последней заданным электрическим полем (Патент РФ 2468918, опубликованный 10.12.2012 г.)The closest to the claimed material is a composite material containing reinforcement, impregnating it with a polymer binder, forming a matrix, carbon nanotubes oriented in the latter by a given electric field (RF Patent 2468918, published on December 10, 2012)

Недостатком известного композиционного материала, в том числе технической проблемой является то, что в данном материале углеродные нанотрубки будут ориентированы перпендикулярно направлению укладки армирующих волокон, что сделает их концентраторами напряжений в случае приложения силы вдоль армирующего материала, а, кроме того, углеродные нанотрубки в данном случае требуют предварительной обработки ультразвуком в растворителе с последующим удалением растворителя.The disadvantage of the known composite material, including a technical problem, is that in this material carbon nanotubes will be oriented perpendicular to the direction of laying the reinforcing fibers, which will make them stress concentrators in the case of a force applied along the reinforcing material, and, in addition, carbon nanotubes in this case require pretreatment with sonication in a solvent followed by removal of the solvent.

В основу заявленного изобретения был положен технический результат - повышенная прочность на разрыв за счет сформированной в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок.The claimed invention was based on the technical result - increased tensile strength due to the structure of oriented carbon nanotubes formed in the polymer matrix using a uniform constant electric field that destroys agglomerates of carbon nanotubes.

Технический результат достигается тем, что композиционный материал, содержащий арматуру, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу, углеродные нанотрубки, ориентированные в последней вдоль арматуры однородным постоянным электрическим полем, а содержание углеродных нанотрубок выбрано в пределах от 0,05% до 0,3% об.The technical result is achieved by the fact that a composite material containing reinforcement, impregnating it with a polymer binder, forming a matrix, carbon nanotubes oriented in the latter along the reinforcement by a uniform constant electric field, and the content of carbon nanotubes is selected in the range from 0.05% to 0.3% about.

Изобретение поясняется графическими изображениями.The invention is illustrated by graphic images.

На чертеже схематично изображена структура материала.The drawing shows schematically the structure of the material.

Композиционный материал, содержащий арматуру 1, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу 2, углеродные нанотрубки 3, ориентированные в последней заданным электрическим полем, который содержит углеродные нанотрубки ориентированные вдоль арматуры однородным постоянным электрическим полем, а содержание углеродных нанотрубок выбрано в пределах от 0,05% до 0,3% об.A composite material containing reinforcement 1, a polymer binder impregnating it, forming a matrix 2, carbon nanotubes 3 oriented in the latter by a given electric field, which contains carbon nanotubes oriented along the reinforcement by a uniform constant electric field, and the content of carbon nanotubes is selected in the range from 0.05 % up to 0.3% vol.

Арматурой 1 может быть волокно, например углеродное, нити, например, стеклонити, различные ленты. Матрицей 2 могут быть различные смолы, как то: эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, полиамидные смолы. Способ осуществляется следующим образом. Арматура 1 (нити, ленты) проходит через пропиточную ванну, в которой установлены обкладки, соединенные с выпрямителем, подключенным к трансформатору, после чего проходит через отжимное устройство и наматывается на оправку.Reinforcement 1 can be a fiber, for example carbon, threads, for example, glass threads, various tapes. Matrix 2 can be various resins, such as: epoxy resins, polyester resins, polyamide resins. The method is carried out as follows. Armature 1 (threads, tapes) passes through an impregnating bath, in which plates are installed, connected to a rectifier connected to a transformer, after which it passes through a squeezing device and is wound onto a mandrel.

Структура материала представлена следующим образом. Арматура 1 протягивается армирующий материал 2, в матрице находятся углеродные нанотрубки 3, ориентированные в направлении вектора напряженности однородного постоянного электрического поля.The structure of the material is presented as follows. Reinforcement 1 extends reinforcing material 2, the matrix contains carbon nanotubes 3 oriented in the direction of the intensity vector of a uniform constant electric field.

Физико-механические характеристики приведены в таблице 1.Physical and mechanical characteristics are shown in table 1.

Изобретение основано на следующем.The invention is based on the following.

Однородное постоянное электрическое поле разрушает агломераты углеродных нанотрубок и ориентирует их в направлении вектора напряженности поля. Армирующий материал пропущен также в направлении вектора напряженности электрического поля.A uniform constant electric field destroys agglomerates of carbon nanotubes and orientates them in the direction of the field strength vector. The reinforcing material is also passed in the direction of the electric field strength vector.

Как показывают экспериментальные данные предел прочности композиционного материала, состоящего из стеклонитей и эпоксидной смолы с добавлением нанотрубок в количестве 0,05% об. увеличивается в 1,3 раза, а при том же количестве нанотрубок и при воздействии электрического поля с напряженностью 1000 В/м и 10000 В/м предел прочности увеличивается соответственно в 1,365 и 1,69 раза.As shown by the experimental data, the ultimate strength of a composite material consisting of glass filaments and epoxy resin with the addition of nanotubes in an amount of 0.05% vol. increases by 1.3 times, and with the same number of nanotubes and under the action of an electric field with a strength of 1000 V / m and 10000 V / m, the ultimate strength increases by 1.365 and 1.69 times, respectively.

При больших концентрациях УНТ в матрице образуются агломераты нанотрубок, снижающие прочностные характеристики материала. При воздействии электрического поля на матрицу с содержанием УНТ 0,2% об. предел прочности возрастает в 1,06 и в 1,275 раза при напряженности поля соответственно 1000 и 10000 В/м, а для содержания УНТ 0,3% об. - в 1,05 и 1,12 раза при 1000 и 10000 В/м соответственно, что подтверждает частичное разрушение агломератов и ориентирование нанотрубок.At high concentrations of CNTs in the matrix, agglomerates of nanotubes are formed, which reduce the strength characteristics of the material. When an electric field is applied to a matrix with a CNT content of 0.2% vol. the ultimate strength increases by 1.06 and 1.275 times at a field strength of 1000 and 10000 V / m, respectively, and for a CNT content of 0.3% vol. - by 1.05 and 1.12 times at 1000 and 10000 V / m, respectively, which confirms the partial destruction of agglomerates and orientation of nanotubes.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения, обеспечивает заявленный технический результат, то есть повышенную прочность на разрыв за счет сформированной в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок.Thus, the claimed set of essential features, reflected in the claims, provides the claimed technical result, that is, increased tensile strength due to the structure of oriented carbon nanotubes formed in the polymer matrix using a uniform constant electric field that destroys agglomerates of carbon nanotubes.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the features indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art and sufficient to obtain the required synergistic (over-sum) technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для создания нанокомпозиционных материалов с повышенной прочностью за счет углеродных нанотрубок, ориентированных с помощью электрического поля;- an object that embodies the claimed technical solution, in its implementation, is intended to create nanocomposite materials with increased strength due to carbon nanotubes oriented by means of an electric field;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the declared object in the form as it is described in the formula, the possibility of its implementation is confirmed using the means and methods described above in the application or known from the prior art as of the priority date;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- an object that embodies the claimed technical solution, in its implementation, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Consequently, the claimed subject matter meets the criteria of patentability "novelty", "inventive step" and "industrial applicability" under the current legislation.

Claims

A composite material containing the armature, impregnating it with a polymer binder that forms a matrix, carbon nanotubes oriented in the latter by a given electric field, characterized in that the carbon nanotubes are oriented along the armature by a uniform constant electric field, and the content of carbon nanotubes is selected in the range from 0.05 to 0.3 vol.%.