Экспериментальные исследования механических характеристик композиционных полимерных материалов на основе полипропилена, допированных углеродными нанотрубками

Цель исследования. В данной работе рассмотрены вопросы использования углеродных нанотрубок в качестве наполнителей с целью улучшения прочностных свойств полимерных материалов на основе полипропилена, используемых в различных областях промышленности, нефте- и газодобыче, металлургии, электроэнергетике и т.д.
Методы. Разработан способ создания нового полимерного композитного материала на основе полипропилена с добавлением углеродных нанотрубок. Проведены экспериментальные испытания прочности опытных образцов, изготовленных из композита «полипропилен – углеродные нанотрубки» в соответствии с ГОСТ 25.601-80 «Расчеты и испытания на прочность».
Результаты. В ходе экспериментальных исследований установлено, что ультразвуковое воздействие на углеродные нанотрубки с правильно подобранным растворителем и условиями воздействия является важным условием при использовании УНТ в качестве нанодобавки. Для получения композитного гранулированного полимерного материала путем введения углеродных нанотрубок целесообразнее всего использование двухшнекового экструдера с заранее подобранными температурными режимами в каждой зоне нагрева и скоростью вращения шнеков. Установлено, что введение углеродных нанотрубок в микроколичествах (0,2–0,4 мас. %) в полимерную матрицу приводит к увеличению максимально допустимой нагрузки до ~0,03–0,05кН, коэффициента пластической деформации ~2,2–7,1% и предела прочности при растяжении ~1–2,5 Н/мм2.
Заключение. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что использование углеродных нанотрубок в качестве нанодобавок в полимерную матрицу полипропилена позволяет создавать специальные полимеры, обладающие уникальными свойствами, без существенного удорожания их производства. Кроме того, контроль процентного содержания УНТ дает возможность проектирования материалов «под заказ» с точным контролем свойств.

1. Ibrahim K.S. Carbon nanotubes-properties and applications: а review. Carbon Lett. 2013. Vol. 14, is. 3. P. 131-144.

2. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. 293 с.

3. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки // Успехи физических наук. 1997. Т. 167, № 9. С. 945-972.

4. Шевченко В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов. М.: Изд-во МГУ им. М. В. Ломоносова, 2010. 99 с.

5. Винг Май Ю., Жонг-Жен Ю. Полимерные нанокомпозиты. М.: Техносфера, 2011. 688 с.

6. Stern T., Marom G. Failure mechanisms and strength of polymer nanocomposites: A brief review. J. Compos. Sci. 2024. Vol. 8, is. 10. Р. 395. https://doi.org/10.3390/jcs8100395.

7. Greene J.P. Automotive plastics and composites. Materials and processing. Elsevier Science & Technology Books, 2021. P. 83-105. https://doi.org/10.1016/C2018-0-03030-3.

8. Campo E.A. Selection of polymeric materials. Norwich, NY: William Andrew Publishing, 2008. P. 21-50.

9. Carbon nanotube polymer nanocomposites coated aggregate enabled highly conductive concrete for structural health monitoring / D. Lu, Y. Huo, Z. Jiang, J. Zhong // Journal Carbon. 2023. Vol. 206. P. 340-350.

10. Carbon nanotube–polymer composites: Chemistry, processing, mechanical and electrical properties /Z. Spitalsky, D. Tasis, K. Papagelis, C. Galiotis // Progress in Polymer Science. 2010. Vol. 35, is. 3. P. 357-401 https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.09.003.

11. Rathinavel S., Priyadharshini K., Dhananjaya Panda. A review on carbon nanotube: An overview of synthesis, properties, functionalization, characterization, and the application // Materials Science and Engineering: B. 2021. Vol. 268. P. 115095 https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115095.

12. Fenta E.W., Mebratie B.A. Advancements in carbon nanotube-polymer composites: Enhancing properties and applications through advanced manufacturing techniques // Heliyon. 2024. Vol. 10, is. 16. P. e36490. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e36490.

13. Transparent conductive thin film synthesis based on single-walled carbon nanotubes dispersion containing polymethylmethacrylate binder / H. Jung, S. Y. An, J. S. Lim, D. Kim // Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2011. Vol. 11, is. 7. P. 6345-6349.

14. Запороцкова И. В. Углеродные и не углеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. 490 с.

15. Elbakyan L.S., Zaporotskova I.V. Polypropylene modified with carbon nanomaterials: structure, properties and application possibilities (a review) // Polymers (basel). 2025. Vol. 17(4). P. 517. https://doi.org/10.3390/polym17040517.

16. Элбакян Л.С., Запороцкова И.В. Механизм создания композита на основе полипропилена, модифицированного углеродными нанотрубками разной слойности // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2025. № 1. https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202501.646.

17. Елецкий А.В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур // Успехи физических наук. 2004. Т. 174, № 11. C. 1191-1231.