Группа ученых из Сколтеха, Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН и финского Университета Аалто разработала универсальный и простой метод получения нанокомпозитов с углеродными нанотрубками, уплотнив для этого доступный на рынке порошок нанотрубок в брикеты. Полученные с использованием брикетов нанокомпозиты по своим характеристикам не уступают материалам из полимерных концентратов, которые значительно дороже в производстве.

О новом методе сообщается в журнале Carbon.

«Мы считаем, что использование брикетов из уплотненных углеродных нанотрубок может существенно ускорить развитие индустрии композитов на основе углеродных нанотрубок. Наш метод не требует больших затрат и может использоваться для широкого спектра полимерных матриц с сохранением электрических и тепловых свойств конечного материала», — рассказал ведущий автор исследования аспирант Сколтеха Хассаан Батт.

Благодаря уникальному сочетанию высокой электропроводности и теплопроводности, а также механических свойств, нанотрубки уже несколько десятилетий являются предметом активных исследований как в научной среде, так и в промышленности. Вместе с тем получившие широкое распространение полимерные нанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок в обозримом будущем могут прочно войти в нашу повседневную жизнь, что вполне объяснимо: добавление в полимер нанотрубок в минимальных количествах не только придает материалу принципиально новые свойства, такие как электропроводность и пьезорезистивность, но и значительно улучшает его теплопроводность и механические характеристики.

Представленное в журнале Carbon исследование первоначально задумывалось как попытка добиться большей дисперсии углеродных нанотрубок внутри полимера для улучшения свойств композита. Для этой цели ученые Сколтеха и их коллеги из ИОНХ РАН решили применить метод, основанный на быстром расширении сверхкритических флюидов (он известен по англоязычной аббревиатуре RESS), ведущий к деагломерации нанотрубок, однако улучшения свойств полимерных нанокомпозитов не добились. Тогда было решено подойти к вопросу с противоположной стороны.

Один из авторов и основных исполнителей работы, аспирант Сколтеха Илья Новиков, рассказывает: «Убедившись, что в результате быстрого расширения суспензии нанотрубок их насыпная плотность уменьшается в 10 раз, но свойства композита при этом не меняются, мы решили пойти от обратного и попробовали уплотнить порошок в надежде, что сжатие не приведёт к ухудшению характеристик материала. Мотивация также состояла в том, что более высокая плотность упаковки нанотрубок должна упростить условия производства и решить проблему их нежелательной аэрозолизации, которая создает риски для здоровья персонала».

Различие в плотности между одностенными углеродными нанотрубками, использованными в исследовании: RESS — распушенные, pristine — исходной плотности, briquettes — уплотненные в брикеты, MB — концентрат трубок, заранее диспергированных в полимере. Масса цилиндров одинаковая / ©Хассаан Батт и другие / Carbon

Авторы кардинально изменили вектор исследования, сосредоточившись на изучении влияния плотности порошка углеродных нанотрубок на свойства итогового материала. Для увеличения насыпной плотности исходные порошки нанотрубок спрессовали пневматическим способом, а затем тщательно проанализировали свойства эпоксидных нанокомпозитов, полученных из порошков четырех типов: исходного, «распушенного» методом RESS, спрессованного в брикеты и стандартного концентрата в виде нанотрубок, предварительно диспергированных в полимере производителем. Ученые с удивлением обнаружили, что все исследуемые свойства, включая морфологию, электропроводность, теплопроводность и термическую стабильность, у всех четырех композитов оказались одинаковыми, вне зависимости от насыпной плотности нанотрубок.

Преимущества использования брикетов из углеродных нанотрубок для изготовления полимерных нанокомпозитов по сравнению с другими тремя типами сырья. Слева направо плотность увеличивается: supercritical expanded — распушенные, pristine — исходной плотности, masterbatch — доступный на рынке концентрат, briquettes — уплотненные брикеты. Риск аэрозолизации и полимер-специфичность — недостатки, которых удается избежать, при этом сохраняется низкая цена / ©Хассаан Батт и другие / Carbon

«Как это ни удивительно, но у всех полученных композитов практически одинаковыми оказались не только электрические, но и тепловые свойства. Мы смогли это объяснить сходным пространственным распределением нанотрубок в эпоксидной смоле. Но что ещё интереснее — получается, наши брикеты ничуть не уступают по своим свойствам довольно дорогому и подходящему лишь для конкретного полимера промышленному концентрату. При этом брикеты гораздо удобнее и безопаснее в использовании, чем порошок исходной плотности и тем более распушенный», — прокомментировал результаты исследования его руководитель, профессор Сколтеха Альберт Насибулин.

Уплотненный и разрыхленный порошок углеродных нанотрубок для изготовления полимерных композитных материалов. Как выяснили исследователи, оба вида сырья обеспечивают одинаковое качество композитов. При этом плотный порошок удобнее в производстве / ©Хассаан Батт / Сколтех

Углеродные нанотрубки — сверхлегкий материал, подверженный самопроизвольной аэрозолизации. Из-за этого с ним тяжело работать и возникают дополнительные риски с точки зрения охраны здоровья персонала. Предложенные авторами исследования брикеты — простое, дешевое и масштабируемое решение этой ключевой для изготовления нанокомпозитов в лабораториях и на производстве проблемы, которое выросло из попытки преодолеть совсем другую технологическую трудность.