Механизм создания композита на основе полипропилена, модифицированного углеродными нанотрубками разной слойности

Проводящие полимеры представляют собой интересный и многообещающий класс материалов с уникальными свойствами. Они обладают хорошей электропроводностью, что делает их подходящим материалом для применения в электронике. Проводящие полимеры используются в производстве органических светодиодов, солнечных элементов, транзисторов и сенсоров. Благодаря своей чувствительности к изменениям окружающей среды проводящие полимеры могут применяться в различных сенсорах, включая газовые и биосенсоры. Проводящие полимеры используются для создания антистатических покрытий, что особенно важно в электронике и производстве, в батареях, суперконденсаторах и других электрохимических системах. Благодаря своей легкости и гибкости проводящие полимеры открывают новые возможности для разработки гибкой и носимой электроники. 
В настоящее время достаточно распространены исследования по созданию новых полимерных материалов, которые получают путем модифицирования известных полимеров различными наполнителями, в том числе наноматериалами. Одним из наиболее известных наноматериалов являются углеродные нанотрубки. Существующие области применения нанотрубок практически безграничны. 
В данной работе в качестве основных исследуемых объектов выбран известный полимер полипропилен и углеродные нанотрубки. Включение проводящих наполнителей в полипропилен позволит использовать созданный материал для многих передовых технологий в электронике. 
В работе исследованы процессы взаимодействия одно- и двуслойных углеродных нанотрубок с мономером полипропилена, а также с его протяженным фрагментом. Особенности структуры, электронно-энергетическое строение нанокомпозита на основе полипропилена, допированного углеродными нанотрубками, а также изучение механизмов взаимодействия между углеродными нанотрубками и фрагментами полипропилена исследованы с применением теории функционала плотности. Выполнен анализ электронно-энергетического строения комплексов, образованных одно- и двуслойными углеродными нанотрубками и фрагментом полипропилена. Установлено, что полученный композиционный материал на основе полипропилена будет обладать проводящими свойствами.

1. Шевченко В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов. М.: МГУ имени М.В. Ломоносова; 2010. 99 с.

2. Полимерные нанокомпозиты. Под ред. Ю-В. Май, Ж.-Ж. Ю. Пер. с англ. М.: Техносфера; 2011. 688 с.

3. Stern T., Marom G. Failure mechanisms and strength of polymer nanocomposites: A brief review. Journal of Composites Science. 2024; 8(10): 395. https://doi.org/10.3390/jcs8100395

4. Lu D., Huo Y., Jiang Zh., Zhong J. Carbon nanotube polymer nanocomposites coated aggregate enabled highly conductive concrete for structural health monitoring. Carbon. 2023; 206(1): 340–350. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.02.043

5. Rathinavel S., Priyadharshini K., Panda Dh. A review on carbon nanotube: An overview of synthesis, properties, functionalization, characterization, and the application. Materials Science and Engineering: B. 2021; 268(3): 115095. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115095

6. Fenta E.W., Mebratie B.A. Advancements in carbon nanotube-polymer composites: Enhancing properties and applications through advanced manufacturing techniques. Heliyon. 2024; 10(1): e36490. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e36490

7. Maghimaa M., Sagadevan S., Boojhana E., Is F., Lett J.A., Moharana Sr., Garg S., Al-Anber M.A. Enhancing biocompatibility and functionality: Carbon nanotube-polymer nanocomposites for improved biomedical applications. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2024; 99(8): 105958. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2024.105958

8. Spitalsky Zd., Tasis D., Papagelis K., Galiotis C. Carbon nanotube-polymer composites: Chemistry, processing, mechanical and electrical properties. Progress in Polymer Science. 2010; 35(3): 357–401. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.09.003

9. Soni S.K., Thomas B., Thomas Sh.B., Tile Pr.S., Sakharwade S.G. Carbon nanotubes as exceptional nanofillers in polymer and polymer/fibernanocomposites: An extensive review. Materials Today Communications. 2023; 37: 107358 https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.107358

10. Kil T., Jin D.W., Yang B., Lee H.K. A comprehensive micromechanical and experimental study of the electrical conductivity of polymeric composites incorporating carbon nanotube and carbon fiber. Composite Structures. 2021; 268(6): 114002. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114002

11. Kim G.M., Yang B.J., Cho K.J., Kim E.M., Lee H.K. Influences of CNT dispersion and pore characteristics on the electrical performance of cementitious composites. Composite Structures. 2017; 164: 32–42. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.12.049

12. Nicholas P. Cheremisinoff condensed encyclopedia of polymer engineering terms book. Boston: Butterworth-Heinemann; 2001. 362 p.

13. Greene J.P. Greene automotive plastics and composites: materials and processing. William Andrew; 2021. 392 p.

14. Campo E.A. Selection of polymeric materials: How to select design properties from different standards. William Andrew; 2008. 350 p.

15. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. М.: Бином. Лаборатория знаний; 2005. 196 с.

16. Запороцкова И.В. Углеродные и не углеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства. Волгоград: ВолГУ; 2009. 490 с.

17. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки. Успехи физических наук. 1997; 167(9): 945–972. https://doi.org/10.3367/UFNr.0167.199709b.0945

18. Дьячков П.Н. Электронные свойства и применение нанотрубок. М.: Бином. Лаборатория знаний; 2010. 490 с.

19. Елецкий А.В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур. Успехи физических наук. 2004; 174(11): 1191–1231. https://doi.org/10.3367/UFNr.0174.200411c.1191

20. Elbakyan L., Zaporotskova I., Hayrapetyan D. Nanocomposite material based on polyvinyl alcohol modified with carbon nanotubes: Mechanism of formation and electronic energy structure. Journal of Composites Science. 2024; 8(2): 54. https://doi.org/10.3390/jcs8020054

21. Tsuneda T. Electronic motion: Density functional theory (DFT). In: Ideas of quantum chemistry. Elsevier; 2007. P. 567–614. https://doi.org/10.1016/b978-044452227-6/50012-0

22. Hopmann K.H., Himo F. Quantum chemical modeling of enzymatic reactions – applications to epoxide-transforming enzymes. Comprehensive Natural Products II. 2010; 8: 719–747. https://doi.org/10.1016/b978-008045382-8.00160-x

23. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R. et al. Gaussian 09, Revision A.01. Gaussian, Inc., Wallingford; 2009.

24. Элбакян Л.С. Квантово-химические расчеты с применением программного пакета Gaussian и графического редактора Gaussview. Волгоград: ВолГУ; 2022. 81 с.