Нанокомпозиционный материал на основе фенолоформальдегидной смолы, эпоксидной смолы, полистирола

1.

Нанокомпозиционный
материал
на
основе
фенолоформальдегидной
смолы,
эпоксидной
смолы,
полистирола
Метод
распределения
наночастиц
в
мономере
Описание разработки (технологии)
(фенолоформальдегидная смола), олигомере (эпоксидная смола)
и полимере (полистирол) позволяет добиться равномерного
распределения в полимерной матрице, что приводит к
увеличению механических (возрастание модуля упругости),
теплофизических (увеличение температуры начала деструкции на
50C), улучшение электрофизических характеристик материала.
Преимущества технологии (разработки) по сравнению с Меньший расход дорогостоящих наночастиц на основе углерода
мировыми аналогами
при возникновении перколяционного слоя.
Использование в качестве связующего в композиционных
Области применения в реальном секторе экономики
материалах обладающих, которое увеличивает экранирующие
свойства материала микроволновом частотном диапазоне (26-37
ГГц) и в низкочастотной области (20Гц – 1 МГц)
Исследование механических и электрофизических свойств в
Степень внедрения разработки (технологии)
рамках ГПНИ 6.23. Проработка испытаний совместно с ОАО
"Полоцк-Стекловолокно" композиций на основе эпоксидной
смолы и углеродных нанотрубок
Экономические преимущества разработки (технологии)
Не известно, поскольку на сегодняшний в открытом доступе
Защищенность патентом
Нет
Ориентировочная стоимость
Данный вопрос не прорабатывался
Предлагаемые формы сотрудничества с зарубежными Совместные исследования и публикации
партнерами
Любимов
Александр
Геннадьевич,
кафедра
ТНСиППМ,
Контактное лицо
+375447195253
Название разработки (технологии)

2.

Этапы получения нанокомпозиционного материала на основе полистирола
Разработка методики диспергирования
наночастиц в мономере
Проведение синтеза полистирола с
различным содержанием наночастиц в
полимерной матрице
Получение компаунда полистирола на
двухшнековом экструдере
Получение экспериментальных
образцов из компаунда
Определение характеристик
полученного материала

3. Диспергирование наночастиц в мономере

В результате проведенных исследований определено:
- Диспергирование лучше проводить объединив
ультразвук и механическое перемешивание. При
диспергировании только ультразвуком значительная
часть наночастиц оседает на стенках сосуда.
- Диспергирование проводить при температуре 0°C. При
диспергировании выше 0°C происходит налипание
частиц на волновод.
- Навеска наночастиц вводится не вся сразу, а порциями.
При введении сразу всей навески усложняется процесс
разрушения агломератов.

4. Синтез полистирола

Синтез суспензионным методом
Синтезированные гранулы
ПС + 0,5 % MWCNT
Измельчение
необходимо
для
получения
однородной насыпной плотности материала для
дальнейшего процесса компаундирования
В результате проведенных исследований определено:
- С увеличение концентрации наночастиц в мономере необходимо большее количество инициатора (в настоящий момент ведутся исследования по
объяснению данного явления)
- Синтез в эмульсии позволяет добиться лучшего распределения наночастиц в полимерной матрице, однако применение эмульгаторов резко
снижает электрофизические характеристики материала за счет экранирования наночастиц. Работы ведутся совместно с НИЯП, задание ГПНИ 6.23
«Физико-химические основы создания новых радиопоглощающих материалов на основе полимерных композиционных материалов с нано- и
микроуглеродными включениями»

5. Получение компаунда

Компаунд: ПС + 0,5 % MWCNT

6. Получение экспериментальных образцов

0,03 мас.% MWCNT
0,5 мас.% MWCNT
2 мас.% MWCNT

7. Определение характеристик материала

100
95
По
результатам
ИК-спектроскопии
синтезированный полистирол имеет такое же
химическое строение как и промышленный
полистирол общего назначения. Нанокомпозиты на
основе полистирола имеют такое же химическое
строение
Пропускание, %
90
85
80
75
70
4000
2800 2400 2000 1600 1200 800
400
Волновое число, см-1
промышленный полистирол
синтезированный полистирол
3200
100
100
95
95
Пропускание, %
Пропускание, %
3600
90
85
80
75
70
4000
3600
3200
2800 2400 2000 1600 1200 800
Волновое число, см-1
GNP 0,03 %
GNP 0,5 %
GNP 2 %
400
90
85
80
75
70
4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400
Волновое число, см-1
MWCNT 0,03 %
MWCNT 0,5%
MWCNT 2%

8.

100
Масса, %
80
60
40
20
0
200
300
400
500
Температура, С
Промышленный полистирол
Синтезированный полистирол
100
100
100
95
95
90
90
Масса, %
Масса, %
0
Более высокая термостойкость промышленного полистирола по
сравнению с синтезированным связана с тем, что промышленный
полистирол имеет более высокую молекулярную массу, а также он
содержит промышленные термостабилизаторы.
Из результатов термогравиметрии видно, что даже незначительное
количество наночастиц в составе полимерной матрицы увеличивает
термостабильность материала примерно на 50°C. Дальнейшее
увеличение содержания наночастиц в полимере не оказывает
значительного влияния на термостабильность.
Увеличить термостабильность возможно при ведении синтеза в
инертной среде и более точном контроле температуры, что позволит
получить полимер с более высокой молекулярной массой.
85
80
85
80
75
75
70
70
100
0,03 % GNP
2 % GNP
200
300
Температура, С
400
0,5 % GNP
Синтезированный полистирол
100
0,03 % MWCNT
2 % MWCNT
200
300
Температура, С
400
0,5 % MWCNT
Синтезированный полистирол

9.

Ударная вязкость, кДж/м2
7
6
5
4
3
2
0
0,5
1
1,5
Концентрация, мас.%
ГНП
50
Модуль Юнга, ГПа
Напряжение при изгибе, МПа
МУНТ
2
Исходя из результатов исследования можно
сделать заключение, что имеется оптимальная
концентрация наночстиц в полимере, выше
которой происходит снижение механических
характеристик материала. Эта концентрация
зависит от природы наночастиц (GNP или MWCNT),
а также от их распределения по объему
полимерной матрицы.
Вероятно при большой концентрации наночастиц
(2 мас. %) из-за большой удельной поверхности не
хватает полимера, для получения монолитного
материала.
Также
возрастает
вероятность
образования агломератов наночастиц, которые
могут являться концентраторами напряжений.
40
30
20
3,2
3
2,8
2,6
2,4
2,2
2
10
0
0,5
1
1,5
Концентрация, мас.%
МУНТ
ГНП
2
0
0,5
1
1,5
Концентрация, мас.%
МУНТ
ГНП
2

10.

10000
0
10
0.5 % MWCNT
0 % MWCNT
0.03 % MWCNT
2 % MWCNT
(a)
10
1000
0.5 % MWCNT
0 % MWCNT
0.03 % MWCNT
2 % MWCNT
-2
10
-3
100
2% GNP
0.5% GNP
0.03% GNP
0%
-3
10
(b)
-4
10
-4
10
100
'
, S/m
'
10
10
, S/m
1000
-2
2 % GNP
0.5% GNP
0.03% GNP
0%
-1
-5
10
-5
10
-6
10
-6
10
10
-7
10
10
-7
10
-8
10
-8
10
1
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
Frequency, Hz
6
10
1
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
2
10
3
10
4
10
5
10
Frequency, Hz
6
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
Frequency, Hz
Frequency, Hz
Частотная зависимость диэлектрической проницаемости (слева) и удельной проводимости (справа)
композиционных материалов на основе диэлектрической матрицы (полистирол) с добавлением различных
концентраций МУНТ (а) и ГНП (б).