RU2746103C1 - Композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками - Google Patents
Композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746103C1 RU2746103C1 RU2020123007A RU2020123007A RU2746103C1 RU 2746103 C1 RU2746103 C1 RU 2746103C1 RU 2020123007 A RU2020123007 A RU 2020123007A RU 2020123007 A RU2020123007 A RU 2020123007A RU 2746103 C1 RU2746103 C1 RU 2746103C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon nanotubes
- electric field
- oriented
- composite material
- matrix
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 35
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 15
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 18
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 12
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 abstract description 2
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 5
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 5
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 2
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 229920006122 polyamide resin Polymers 0.000 description 1
- 229920001225 polyester resin Polymers 0.000 description 1
- 239000004645 polyester resin Substances 0.000 description 1
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области композиционных материалов, состоящих из полимерной матрицы и наполнителя, в роли которого выступают углеродные нанотрубки (УНТ). Данный композиционный материал обладает повышенной прочностью за счет формирования в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного электрического поля. Технический результат заключается в повышении прочности на разрыв за счет сформированной в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок. Технический результат достигается тем, что композиционный материал содержит арматуру, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу, углеродные нанотрубки, ориентированные в последней вдоль арматуры однородным постоянным электрическим полем, а содержание углеродных нанотрубок выбрано в пределах от 0,05 до 0,3 об.%. 1 табл., 1 ил.
Description
Изобретение относится к области композиционных материалов, состоящих из полимерной матрицы и наполнителя, в роли которого выступают углеродные нанотрубки (УНТ). Данный композиционный материал обладает повышенной прочностью за счет формирования в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного электрического поля.
Известно, что углеродные нанотрубки обладают высокими прочностными характеристиками и могут использоваться для создания полимерных нанокомпозитов (ПНКМ). Однако также известно, что углеродные нанотрубки в больших концентрациях создают агломераты, которые снижают прочностные свойства ПНКМ. Для решения этой проблемы используется множество способов: применение поверхностно-активных веществ (ПАВ), обработка ультразвуком и др. Одним из способов решения данной проблемы является ориентирование углеродных нанотрубок в матрице.
Известен полимерный композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками, получаемый пропиткой матричным материалом массива ориентированных многостенных углеродных нанотрубок, выращенных методом MOCDV, в полимерной композиции под воздействием вакуума, промывку пропитанной матрицы в воде и ее термообработку при температуре не выше температуры деструкции полимерного состава. (Патент РФ №2560382, опубликован 25.08.2015 г.).
Недостатком данного материала является высокая трудоемкость, предполагающая изначальное выращивание углеродных нанотрубок в заданном направлении, а также промывку пропитанной матрицы, что усложняет технологический процесс получения полимерного композита.
Известен нанокомпозиционный материал получения нанокомпозита на основе слоистого углеродного композиционного материала с высоким сопротивлением к расслаиванию с ориентированными углеродными нанотрубками в магнитном поле (патент РФ 2380232, опубликован 27.01.2010 г.).
Недостатками данного материала является высокая трудоемкость, которая заключается в предварительном модифицировании углеродных нанотрубок, а также ориентирование нанотрубок в направлении, перпендикулярном слоям, что является причиной анизотропии слоистого нанокомпозита и его ослабления в направлении расположения слоев материала.
Наиболее близким к заявленному материалу является композиционный материал, содержащий арматуру, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу, углеродные нанотрубки, ориентированные в последней заданным электрическим полем (Патент РФ 2468918, опубликованный 10.12.2012 г.)
Недостатком известного композиционного материала, в том числе технической проблемой является то, что в данном материале углеродные нанотрубки будут ориентированы перпендикулярно направлению укладки армирующих волокон, что сделает их концентраторами напряжений в случае приложения силы вдоль армирующего материала, а, кроме того, углеродные нанотрубки в данном случае требуют предварительной обработки ультразвуком в растворителе с последующим удалением растворителя.
В основу заявленного изобретения был положен технический результат - повышенная прочность на разрыв за счет сформированной в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок.
Технический результат достигается тем, что композиционный материал, содержащий арматуру, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу, углеродные нанотрубки, ориентированные в последней вдоль арматуры однородным постоянным электрическим полем, а содержание углеродных нанотрубок выбрано в пределах от 0,05% до 0,3% об.
Изобретение поясняется графическими изображениями.
На чертеже схематично изображена структура материала.
Композиционный материал, содержащий арматуру 1, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу 2, углеродные нанотрубки 3, ориентированные в последней заданным электрическим полем, который содержит углеродные нанотрубки ориентированные вдоль арматуры однородным постоянным электрическим полем, а содержание углеродных нанотрубок выбрано в пределах от 0,05% до 0,3% об.
Арматурой 1 может быть волокно, например углеродное, нити, например, стеклонити, различные ленты. Матрицей 2 могут быть различные смолы, как то: эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, полиамидные смолы. Способ осуществляется следующим образом. Арматура 1 (нити, ленты) проходит через пропиточную ванну, в которой установлены обкладки, соединенные с выпрямителем, подключенным к трансформатору, после чего проходит через отжимное устройство и наматывается на оправку.
Структура материала представлена следующим образом. Арматура 1 протягивается армирующий материал 2, в матрице находятся углеродные нанотрубки 3, ориентированные в направлении вектора напряженности однородного постоянного электрического поля.
Физико-механические характеристики приведены в таблице 1.
Изобретение основано на следующем.
Однородное постоянное электрическое поле разрушает агломераты углеродных нанотрубок и ориентирует их в направлении вектора напряженности поля. Армирующий материал пропущен также в направлении вектора напряженности электрического поля.
Как показывают экспериментальные данные предел прочности композиционного материала, состоящего из стеклонитей и эпоксидной смолы с добавлением нанотрубок в количестве 0,05% об. увеличивается в 1,3 раза, а при том же количестве нанотрубок и при воздействии электрического поля с напряженностью 1000 В/м и 10000 В/м предел прочности увеличивается соответственно в 1,365 и 1,69 раза.
При больших концентрациях УНТ в матрице образуются агломераты нанотрубок, снижающие прочностные характеристики материала. При воздействии электрического поля на матрицу с содержанием УНТ 0,2% об. предел прочности возрастает в 1,06 и в 1,275 раза при напряженности поля соответственно 1000 и 10000 В/м, а для содержания УНТ 0,3% об. - в 1,05 и 1,12 раза при 1000 и 10000 В/м соответственно, что подтверждает частичное разрушение агломератов и ориентирование нанотрубок.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения, обеспечивает заявленный технический результат, то есть повышенную прочность на разрыв за счет сформированной в полимерной матрице структуры ориентированных углеродных нанотрубок с помощью однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для создания нанокомпозиционных материалов с повышенной прочностью за счет углеродных нанотрубок, ориентированных с помощью электрического поля;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Claims (1)
- Композиционный материал, содержащий арматуру, пропитывающее ее полимерное связующее, образующее матрицу, углеродные нанотрубки, ориентированные в последней заданным электрическим полем, отличающийся тем, что углеродные нанотрубки ориентированы вдоль арматуры однородным постоянным электрическим полем, а содержание углеродных нанотрубок выбрано в пределах от 0,05 до 0,3 об.%.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020123007A RU2746103C1 (ru) | 2020-07-10 | 2020-07-10 | Композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020123007A RU2746103C1 (ru) | 2020-07-10 | 2020-07-10 | Композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2746103C1 true RU2746103C1 (ru) | 2021-04-07 |
Family
ID=75353449
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020123007A RU2746103C1 (ru) | 2020-07-10 | 2020-07-10 | Композиционный материал с ориентированными углеродными нанотрубками |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2746103C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130200296A1 (en) * | 2012-02-07 | 2013-08-08 | Hyundai Motor Company | Polymer nanocomposite containing glass fiber coated with metal-carbon nanotube and graphite and method of preparing the same |
| US9284398B2 (en) * | 2010-06-11 | 2016-03-15 | National Research Council Of Canada | Modified carbon nanotubes and their compatibility |
| RU2612284C1 (ru) * | 2015-09-09 | 2017-03-06 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Арматура композитная |
| RU2684271C1 (ru) * | 2017-12-18 | 2019-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ФАР ИСТ КОМПОЗИТ" (ООО "ФАР ИСТ КОМПОЗИТ") | Арматура композитная |
| RU2703635C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-10-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ повышения прочности на разрыв композитного материала с помощью предварительной пропитки углеволокон |
-
2020
- 2020-07-10 RU RU2020123007A patent/RU2746103C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9284398B2 (en) * | 2010-06-11 | 2016-03-15 | National Research Council Of Canada | Modified carbon nanotubes and their compatibility |
| US20130200296A1 (en) * | 2012-02-07 | 2013-08-08 | Hyundai Motor Company | Polymer nanocomposite containing glass fiber coated with metal-carbon nanotube and graphite and method of preparing the same |
| RU2612284C1 (ru) * | 2015-09-09 | 2017-03-06 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Арматура композитная |
| RU2684271C1 (ru) * | 2017-12-18 | 2019-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ФАР ИСТ КОМПОЗИТ" (ООО "ФАР ИСТ КОМПОЗИТ") | Арматура композитная |
| RU2703635C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-10-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ повышения прочности на разрыв композитного материала с помощью предварительной пропитки углеволокон |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kim et al. | Structures, electrical and mechanical properties of epoxy composites reinforced with MWCNT-coated basalt fibers | |
| Downes et al. | Strain‐induced alignment mechanisms of carbon nanotube networks | |
| Zhang et al. | Interfacial shearing strength and reinforcing mechanisms of an epoxy composite reinforced using a carbon nanotube/carbon fiber hybrid | |
| JP7337289B2 (ja) | 回転部材及びその製造方法 | |
| US8058364B2 (en) | Method for functionalization of nanoscale fibers and nanoscale fiber films | |
| KR20200144556A (ko) | 탄소 섬유용 전기 전도성 사이징 | |
| CN118843722A (zh) | 聚合物基质复合材料和其制造方法 | |
| KR102793633B1 (ko) | 복합 소재, 탄소 섬유 강화 성형체 및 복합 소재의 제조 방법 | |
| Apolinario et al. | Effects of water ageing on the mechanical properties of flax and glass fibre composites: Degradation and reversibility | |
| Salem et al. | Study of the effect of surface treatment of kenaf fibre on mechanical properties of kenaf filled unsaturated polyester composite | |
| Takagi et al. | Mechanical characterisation of nanocellulose composites after structural modification | |
| JP7106040B1 (ja) | 複合素材、その製造方法及び強化繊維基材の製造方法 | |
| US20200240047A1 (en) | Method and system for producing unidirctional carbon fiber tape as well as method for surface treating carbon fibers | |
| KR101845936B1 (ko) | 프리프레그용 cnt-고분자필름 및 이의 제조방법 | |
| RU2746096C1 (ru) | Установка для ориентирования нанотрубок | |
| Rojas et al. | Moisture and temperature influence on mechanical behavior of PPS/buckypapers carbon fiber laminates | |
| RU2751882C1 (ru) | Способ получения композиционного материала с ориентированными углеродными нанотрубками | |
| Suryanto et al. | Impact of Mendong fiber–epoxy composite interface properties on electric field frequency exposure | |
| Plaseied et al. | Influence of carbon nanofiber content and surface treatment on mechanical properties of vinyl ester | |
| Yakovenko et al. | Effects of dispersion and ultraviolet/ozonolysis functionalization of graphite nanoplatelets on the electrical properties of epoxy nanocomposites | |
| RU2623401C2 (ru) | Способ изготовления электропроводной нити из ультратонких стеклянных волокон | |
| Kausar | Design and study of epoxy composites based on polycaprolactone and nanodiamond functionalized carbon fibers | |
| Girdis et al. | Additive Manufacturing of Carbon Fiber and Graphene–Polymer Composites using the technique of Fused Deposition Modelling | |
| JP2003293264A (ja) | 抄紙用炭素繊維、炭素繊維紙、及び炭素繊維紙の製造方法 | |
| Gómez et al. | Characterization of Composite Material Reinforced with Fique Fibra Through the Winding Filament Manufacturing Technique |