Реологические и физико-механические свойства термореактивных полимерных композитов с наполнителями из углеродных наноструктур и монтмориллонита

Термореактивные полимеры широко применяются в строительстве в качестве ремонтных составов, защитных и декоративных покрытий. Исследования, направленные на улучшение реологических и физико-механических свойств композитов с эпоксидной основой при внесении в их состав конструкционных и функциональных наполнителей являются перспективными. Исследованы реологические и физико-механические свойства композиционных материалов, содержащих в составе эпоксидную смолу, углеродные нанотрубки и монтмориллонит Garamite 7305. Однослойные скрученные нанотрубки имели диаметр около 75 нм и длину 300 нм, синтезировались в виде пластинок путем осаждения в вакууме атомарного углерода на медную подложку. Были получены композиции на эпоксидной основе с разным процентным содержанием нанотрубок и монтмориллонита. Проводились реологические исследования полученных материалов. Динамическая вязкость композита при увеличении в процентном отношении наполнителей возрастала при малых скоростях сдвига и снижалась практически до одинакового значения при скорости сдвига 100 1/с. Углеродные нанотрубки в концентрациях 5 и 10% вызывали линейное увеличение напряжения сдвига с ростом скорости сдвига, при этом образцы проявляли поведение, аналогичное жидкости. При добавлении 15% углеродных нанотрубок был достигнут предел текучести при сдвиге в 500 Па, ниже этого предела состав демонстрировал твердые свойства при напряжениях. Введение 2% монтмориллонита в состав с 15%-м содержанием углеродных нанотрубок удвоило предел текучести материала, доведя его до 1000 Па. Испытания при изгибе образцов, полученных методом литья, показали лишь небольшое снижение прочности композита по сравнению с чистой эпоксидной смолой. В результате исследования были получены оптимальные составы композитов на основе эпоксидной смолы с функциональными наполнителями, отличающиеся удобством в использовании, в том числе для 3D-печати, благодаря значительному увеличению текучести материала при проходе через сопло инструмента.

Т.Ф. ЕЛЬЧИЩЕВА¹, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
М.В. МАКАРЧУК¹, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
В.Т. ЕРОФЕЕВ², д-р техн. наук, академик РААСН (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
П.В. МОНАСТЫРЕВ¹, д-р техн. наук, член-корреспондент РААСН (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, помещение 2)
² Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)

1. Балашов А.Б. Методология расчета свойств композиционных материалов на основе 3D-тка-ных структур с использованием воксельного подхода // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2021. № 4 (394). С. 195–203. EDN: ­LNAMUK. https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_4_195
1. Balashov A.B. Methodology for calculating the properties of composite materials based on 3D woven structures using the voxel approach. Izvestiya of Higher Educatio-Nal Institutions. Technology of textile industry. 2021. No. 4 (394), pp. 195–203. (In Russian). EDN: ­LNAMUK. https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_4_195
2. Черунова И.В., Сирота Е.Н., Ташпулатов С.Ш., Махмудова Г.И., Зуфарова З.У., Черунов П.В., Сабирова З.А. Исследование влияния пористости на теплопроводность однослойных вспененных материалов типа «Неопрен» // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2021. № 3 (393). С. 75–80. EDN: ­FZGNPP. https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_3_75
2. Cherunova I.V., Sirota E.N., Tashpulatov S.Sh., Makhmudova G.I., Zufarova Z.U., Cherunov P.V., Sabirova Z.A. Investigation of the effect of porosity on the thermal conductivity of single-layer foamed materials of the «Neoprene» type. Izvestiya of Higher Educatio-nal Institutions. Technology of textile Industry. 2021. No. 3 (393), pp. 75–80. (In Russian). EDN: ­FZGNPP. https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_3_75
3. Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Козомазов В.М. Физика и синергетика дисперсно-неупорядоченных конденсированных композитных систем. СПб.: Наука, 2012. 176 с. EDN: ­SNENQF
3. Bobryshev A.N., Erofeev V.T., Kozomazov V.M. Fizika i sinergetika dispersno-neuporyadochennykh kondensirovannykh kompozitnykh sistem [Physics and synergetics of dispersed disordered condensed composite systems]. St. Petersburg: Nauka. 2012. 176 p.
4. Гусев Б.В., Кондращенко В.И., Маслов Б.П., Файвусович А.С. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства. М.: Научный мир, 2006. 566 с. EDN: ­QNMJSV
4. Gusev B.V., Kondrashchenko V.I., Maslov B.P., Faivusovich A.S. Formirovaniye struktury kompozitsionnykh materialov i ikh svoystva [Formation of the structure of composite materials and their properties]. Moscow: Nauchniy mir. 2006. 566 p.
5. Белов В.В., Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Максимова И.Н., Меркулов Д.А. Компьютерное моделирование и оптимизирование составов композиционных строительных материалов: Монография. М.: Издательство АСВ, 2015. 264 с.
5. Belov V.V., Bobryshev A.N., Erofeev V.T., Maksimova I.N., Merkulov D.A. Komp’yuternoye modelirovaniye i optimizirovaniye sostavov kompozitsionnykh stroitel’nykh materialov [Computer modeling and optimization of compositions of composite building materials]. Moscow: Izdatel’stvo ASV. 2015. 264 p.
6. Erofeev V., Tyuryakhin A., Tyuryakhina T. Flat space of values of volume module of grain composite with spherical fill-lem. International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET). 2019. Vol. 10. Iss. 8, pp. 333–342.
7. Ерофеев В.Т., Тюряхин А.С., Тюряхина Т.П. Система упорядочных подмножеств значений объемного модуля полидисперсных композитов со сферическими включениями // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2019. № 6. С. 5–17. EDN: ­HATXQB. https://doi.org/10.32683/0536-1052-2019-726-6-5-17
7. Erofeyev V.T., Tyuryakhin A.S., Tyuryakhina T.P. A system of ordered subsets of the volume modulus values of polydisperse composites with spherical inclusions. Izvestiya of Higher Educational Institutions. Construction. 2019. No. 6, pp. 5–17. (In Russian). EDN: ­HATXQB. https://doi.org/10.32683/0536-1052-2019-726-6-5-17
8. Ерофеев В.Т., Тюряхин А.С., Тюряхина Т.П., Тиньгаев А.В. Эффективные модули двухфаз-ных строительных композитов с зернистым заполнителем // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 6. С. 407–414. EDN: ­VTUBKM
https://doi.org/10.22363/1815-5235-2019-15-6-407-414
8. Erofeyev V.T., Tyuryakhin A.S., Tyuryakhina T.P., Tingaev A.V. Efficient models of two-phase building composites with granular aggregate. Stroitel’naya Mekhanika Inzhenernyh Konstrukciy i Sooruzheniy. 2019. Vol. 15. No. 6, pp. 407–414. (In Russian). EDN: ­VTUBKM. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2019-15-6-407-414
9. Ерофеев В.Т., Тюряхин А.С., Тюряхина Т.П. Множества вилок Фойгта–Рейсса и трезубцев Фойгта–Кристенсена–Рейсса // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2020. Т. 16. № 5. С. 323–333. EDN: ­VXCPAR.https://doi.org/10.22363/1815-5235-2020-16-5-323-333
9. Erofeyev V.T., Tyuryakhin A.S., Tyuryakhina T.P. Lots of Voigt– Reiss forks and Voigt–Reiss tridents. Stroitel’naya Mekhanika Inzhenernyh Konstrukcij i Sooruzhenij. 2020. Vol. 16. No. 5, pp. 323–333. (In Russian). EDN: ­VXCPAR. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2020-16-5-323-333
10. Farahani R.D., Dali, H., Borgne V.L., Gautier L.A., Khakani M.A. El., Levesque M., Therriault D. Direct-write fabrication of freestanding nanocomposite strain sensors. Nanotechnology. 2012. Vol. 23. No. 8. 085502. https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/8/085502
11. Lewicki J.P., Rodriguez J.N., Zhu C., et al. 3D-printing of meso-structurally ordered carbon fiber/polymer composites with unprecedented orthotropic physical properties. Scientific Reports. 2017. No. 7. 43401. https://doi.org/10.1038/srep4340115
12. Compton B.G., Kemp J.W., Novikov T.V., Pack R.C., Nlebedim C.I., Duty C.E., Rios O., Paranthaman M.P. Direct-write 3D printing of NdFeB bonded magnets. Materials and Manufacturing Processes. 2016. No. 33 (1), pp. 109–113.
https://doi.org/10.1080/10426914.2016.1221097
13. Malek S., Raney J.R., Lewis J.A., Gibson L.J. Lightweight 3D cellular composites inspired by balsa. Bioinspiration & Biomimetics. 2017. Vol. 12. No. 2. 026014. https://doi.org/10.1088/1748-3190/aa6028
14. Korolev A.P, Makarchuk M.V., Dutov M.N., Loskutova A.D., Firsova A.V. Studying the regimes of forming carbonic nano-objects on copper island structure. XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2018. Vol. 1. Part 1, pp. 36–38. EDN: ­ZASCTR. https://doi.org/10.1109/APEIE.2018.8545282
15. Latif Z., Ali M., Lee E.-J., Zubair Z., Lee K.H. Thermal and mechanical properties of nano-carbon-reinforced polymeric nanocomposites: a review. Journal of Composites Science. 2023. No. 7 (10). 441. EDN: ­DWXXIT https://doi.org/10.3390/jcs7100441
16. Bhattacharya M. Polymer nanocomposites-a comparison between carbon nanotubes, graphene, and clay as nanofillers. Materials. 2016. Vol. 9. No. 262. EDN: ­WUHALT. https://doi.org/10.3390/ma9040262
17. Nagalingam R., Sundaram S., Satheshraja R. Effect of montmorillonite on tensile properties of frp composites. Journal of Manufacturing Engineering. 2011. Vol. 6. No. 1, pp. 19–23.
https://smenec.org/index.php/1/article/view/437
18. Soliman S.M.A., Abdelhakim M., Sabaa M.W. Study curing of epoxy resin by Isophoronediamine / Triethylenetetramine and reinforced with montmorillonite and effect on compressive strength. BMC Chemistry. 2024. Vol. 18. No. 211.
https://doi.org/10.1186/s13065-024-01319-8