О возможности создания полимерных композитных материалов на основе поливинилового спирта и поливинилпирролидона, допированных углеродными нанотрубками

Цель – обобщение современных методов получения нанокомпозиционных материалов на основе поливинилового спирта и поливинилпирролидона) путем допирования углеродными нанотрубками, а также теоретическое изучение механизмов взаимодействия этих полимеров с однослойными и двуслойными углеродными нанотрубками для создания композитных систем нового поколения с улучшенными свойствами.

Методы. Проведен анализ и систематизация данных научной литературы по технологиям получения нанокомпозитов; оригинальные квантово-химические расчеты в рамках теории функционала плотности, выполненные автором для исследования электронной структуры и механизмов взаимодействия компонентов с углеродными нанотрубками (ПВС / УНТ, ПВП / УНТ).

Результаты. Обзор научных работ подтвердил, что добавление сверхмалых количеств углеродными нанотрубками в полимерную матрицу позволяет кардинально изменять свойства полимеров без существенного увеличения себестоимости конечного материала; вычислительные эксперименты с использованием DFT позволили выявить механизмы взаимодействия поливинилового спирта и поливинилпирролидона с углеродными нанотрубками, установить характер сорбции (физическая или химическая), энергетические параметры связывания и степень перераспределения электронной плотности в комплексах, создать новую композитную полимерную систему; многомасштабное моделирование признано ключевым фактором технологического прогресса в органической электронике, позволяющим минимизировать затраты на разработку и прогнозировать стабильность материалов.

Заключение. Проведенное исследование привело к формированию целостных научных представлений о технологиях получения нанокомпозитов, а сочетание экспериментальных исследований и квантово-химического моделирования открывает перспективы для развития науки и техники – от базовых химических концепций до практических разработок в области проводящих полимеров и органической электроники.

1. Иноземцев С.С., Королев Е.В. Технико-экономическая эффективность применения наномодифицированного наполнителя для асфальтобетона // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13, № 4(115). С. 536-543.

2. Малая Е.В., Саввин А.И. Композиционные материалы в современной авиации // Актуальные исследования. 2022. № 49(128), ч. 1. С. 6-9.

3. Soni S.K., Thomas B., Kar V.R. A comprehensive review on CNTs and CNT-reinforced composites: syntheses, characteristics and applications // Materials Today Communications. 2020. Vol. 25, is. 80. P. 101546. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101546.

4. Elbakyan L.S., Zaporotskova I.V. Polypropylene modified with carbon nanomaterials: structure, properties and application possibilities (a review) // Polymers. 2025. Vol. 17, no. 4. P. 517. https://doi.org/10.3390/polym17040517.

5. Исследование полимерных нитей с наноостровковой топологией наногетероструктур алюминия / П.П. Мальцев, А.А. Ганжа, В.Ю. Павлов, А.О. Михалев, А.И. Козлитин, В.В. Сарайкин // Нано- и микросистемная техника. 2023. Т. 25, № 5. С. 203-209. https://doi.org/10.17587/nmst.25.203-20.

6. Malka E., Margel S. Engineering of PVA/PVP hydrogels for agricultural applications // Gels. 2023. Vol. 9, is. 11. P. 895. https://doi.org/10.3390/gels9110895.

7. Enhanced mechanical properties and morphological characterizations of poly(vinyl alcohol)-carbon nanotube composite films / W. Chen, X. Tao, P. Xue, X. Cheng // Applied Surface Science. 2005. Vol. 252, is. 5. P. 1404-1409. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.02.138.

8. Interfacially-grafted single-walled carbon nanotube/poly(vinyl alcohol) composite fibers / W.J. Lee, A.J. Clancy, J.C. Fernández-Toribio, X. Cheng // Carbon. 2019. Vol. 146. P. 162-171. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.01.075.

9. Synergistic effect of carbon nanotubes and polyvinyl alcohol on the mechanical performance and microstructure of cement mortar / J. Fan, S. Deng, G. Li, J. Li, J. Zhang // Nanotechnology Reviews. 2024. Vol. 13. P. 202400028. https://doi.org/10.1515/ntrev-2024-0028.

10. Multi-functional properties of MWCNT/PVA buckypapers fabricated by vacuum filtration combined with hot press: thermal, electrical and electromagnetic Shielding / L. Cao, Y. Liu, J. Wang, Y. Pan, Y. Zhang, N. Wang [et al.] // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, is. 12. Р. 2503. https://doi.org/10.3390/nano10122503.

11. Namasivayam M., Andersson M.R., Shapter J.G. A comparative study on the role of polyvinylpyrrolidone molecular weight on the functionalization of various Carbon nanotubes and their composites // Polymers. 2021. Vol. 13, is. 15. P. 2447. https://doi.org/10.3390/polym13152447.

12. Formulation and evaluation of PVA-based composite hydrogels: physicochemical, leachables, and in vitro immunogenicity studies / A. Himawan, A. Korelidou, A.M. Pérez-Moreno, J.L. Paris, J. Dominguez-Robles, L.K. Vora [et al.] // Journal of Materials Chemistry B. 2025. Vol. P. 2431-2445. https://doi.org/10.1039/D4TB02181A.

13. Mahmood H.S., Habubi N.F. Physical properties of PVA:PVP blend reinforced by MWCNT // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2322. P. 012068. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2322/1/012068.

14. Strong, tough, and biocompatible poly(vinyl alcohol)-poly(vinylpyrrolidone) multiscale network hydrogels reinforced by aramid nanofibers / D. Ji, Z. Zhang, J. Sun, W. Cao, Z. Wang, X.I. Wang // ACS Applied Materials & Interfaces. 2024. Vol. 16, is. 16. P. 20693-20704. https://doi.org/10.1021/acsami.4c03236.

15. Preparation and investigation of structural, optical, and dielectric properties of PVA/PVP blend films boosted by MWCNTs/AuNPs for dielectric capacitor applications / A. Saeed, A.M. Alghamdi, M.A. Alenizi, R. Alwafi, G.M. Asnag, E. Alzahrani [et al.] // Journal of Science: Advanced Materials and Devices. 2024. Vol. 9, is. 4. P. 100802. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2024.100802.

16. Dinadayalane T.C., Stone L.J. Wales defects with two different orientations in (5, 5) single-walled carbon nanotubes: a theoretical study // Chemical Physics Letters. 2007. Vol. 434. P. 86-91.

17. Elbakyan L.S., Zaporotskova I.V., Hayrapetyan D.B. Nanocomposite material based on polyvinyl alcohol modified with carbon nanotubes: mechanism of formation and electronic energy structure // Journal of Composites Science. 2024. Vol. 8, is. 2. P.54 https://doi.org/10.3390/jcs8020054.

18. Элбакян Л.С., Запороцкова И.В. Исследование проводящих свойств композитных полимерных материалов на основе поливинилпирролидона, допированных одно- и двуслойными нанотрубками // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2025. Т.25, вып. 4. С. 495-504. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2025-25-4-495-504.

19. Elbakyan L.S., Zaporotskova I.V. Investigation of the conductive properties of composite polymer materials based on polyvinyl alcohol doped with single- and double-walled carbon nanotubes // Modern Electronic materials. 2025. Vol. 11, is. 3. P. 147-153. https://doi.org/10.3897/j.moem.11.3.150265.

20. Bond lengths and diameters of armchair single wall carbon nanotubes / M.F. Budyka, T.S. Zyubina, A.G. Ryabenko, S.H. Lin, A.M. Mebel // Chemical Physics Letters. 2005. Vol. 407, no. 4-6. P. 266-271. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.03.088.