Sound Velocities in Graphene-Based Epoxy Nanocomposites

Андрій Надточій; Борис Горєлов; Олексій Половина; Сергій Шульга; Олег Коротченков; Алла Горб

doi:10.15330/pcss.23.2.328-334

Автор(и)

А.Б. Надточій Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
Б.M. Горєлов Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
О.І. Половина Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
С.В. Шульга Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
О.О. Коротченков Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
А.М. Горб Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.2.328-334

Ключові слова:

багатошарові графенові нанопластинки, наночастинки анатазу, епоксидні нанокомпозити, ультразвукове зондування, пружні модулі

Анотація

Пружні властивості нанокомпозитів на основі епоксидної смоли (ЕНК), наповнених «чистими» багатошаровими графеновими нанопластинками (БШГ) та «гібридними» БШГ, на які осаджено наночастинки діоксиду титана, було тестовано за допомогою фазо-частотного ультразвукового зондування в режимі неперервного збудження (УЗЗ). Полімерною матрицею для цих нанокомпозитів слугувала діанова епоксидна смола CHS-EPOXY 520, що затверджувалася діетилтриаміновим затверджувачем (ДЕТА). Графенові наночастинки з питомою площею поверхні S_f ~790 м²/г складалися з декількох десятків слабо зв’язаних моноатомних шарів і мали базові поверхні середнього розміру 5×5 мкм². Масове навантаження (φ_f,m) нанокомпозитів «чистими» БШГ варіювалося в межах від 0.1% до 5.0%. Наночастинки TiO₂ у формі анатазу мали середній діаметр 50 нм та питому площу поверхні 1500 м²/г і додавалися до БГШ-нанокомпозитів у кількості 1% по масі. Пружні модулі БГШ-ЕНК та БГШ: TiO₂-ЕНК (а саме, сталі Ламе, модуль Юнга, модуль всебічного стиснення та коефіцієнт Пуассона) показали незначні зміни зі зміною φ_f,m, незалежно від типу нанопластинок. Однак, вплив гібридних БГШ:TiO₂-нанопластинок на пружні модулі смоли виявився більш сильним, ніж вплив «чистих» БГШ. Цей результат показує можливість змінювати молекулярну структуру епоксидних смол шляхом впливу на реакційну здатність поверхні БГШ, які додаються у смолу.

Посилання

J.A. King, D.R. Klimek, I. Miskioglu, G.M. Odegard, J. Compos. Mater. 49(6), 659 (2015); https://doi.org/10.1177/0021998314522674.

A.S. Sarvestani, Int. J. Solids Struct. 40(26), 7553 (2003); https://doi.org/10.1016/S0020-7683(03)00299-3.

R. Atif, I. Shyha, F. Inam, J. Compos. Mater. 51(2), 209 (2017); https://doi.org/10.1177/0021998316640060.

R. Atif, I. Shyha, F. Inam, Polymers 8(8), 281 (2016); https://doi.org/10.3390/polym8080281.

R Atif, F. Inam, Graphene 5(2), 96 (2016); https://doi.org/10.4236/graphene.2016.52011.

D.G. Papageorgiou, I.A. Kinloch, R.J. Young, Prog. Mater. Sci. 90, 75 (2017); https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.07.004.

Fu Shaoyun, Sun Zheng, Huang Pei, Li Yuanqing, Hu Ning, Nano Mater. Sci. 1(1), 2 (2019); https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.02.006.

M.A.G. Benega, W.M. Silva, M.C. Schnitzler, R.J.E. Andrade, H. Ribeiro, Polym. Test. 98, 107180 (2021); https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2021.107180.

B.M. Gorelov, A.M. Gorb, O.I. Polovina, A.B. Nadtochiy, D.L. Starokadomskiy, S.V. Shulga, V.M. Ogenko, Nanosistemi, Nanomater. Nanotehnologii 14(4), 527 (2016).

B. Gorelov, A. Gorb, A. Nadtochiy, D. Starokadomsky, V. Kuryliuk, N. Sigareva, S. Shulga, V. Ogenko, O. Korotchenkov, O. Polovina, J. Mater. Sci. 54(12), 9247 (2019); https://doi.org/10.1007/s10853-019-03523-7.

Nadtochiy, B. Gorelov, O. Polovina, S. Shulga, O. Korotchenkov, J. Mater. Sci. 56(25), 14047 (2021); https://doi.org/10.1007/s10853-021-06134-3.

C.D. Reddy, S. Rajendran, K.M. Liew, Nanotechnology 17(3), 864 (2006); https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/3/042.

M.D. Stoller, S.J. Park, Y.W. Zhu, J.H. An, R.S. Ruoff, Nano Lett. 8(10), 3498 (2008); https://doi.org/10.1021/nl802558y.

C. Lee, X.D. Wei, J.W. Kysar, J. Hone, Science 321(5887), 385 (2008); https://doi.org/10.1126/science.1157996.

M.J. Allen, V.C. Tung, R.B. Kaner, Chem. Rev. 110(1), 132 (2010); https://doi.org/10.1021/cr900070d.

R. Verdejo, M.M. Bernal, L.J. Romasanta, M.A. Lopez-Manchado, J. Mater. Chem. 21(10), 3301 (2011); https://doi.org/10.1039/c0jm02708a.

Y.J. Liu, Z.H. Tang, Y. Chen, S.W. Wu, B.C. Guo, Compos. Sci. Technol. 168, 214 (2018); https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2018.10.005.

H.L. Yang, F. Cai, Y.L. Luo, X. Ye, C. Zhang, S.Z. Wu, Compos. Sci. Technol. 188, 107971 (2020); https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2019.107971.

H.Y. Yan, Y.X. Tang, W. Long, Y.F. Li, J. Mater. Sci. 49(15), 5256 (2014); https://doi.org/10.1007/s10853-014-8198-z.

W. Park, Y.F. Guo, X.Y. Li, J.N. Hu, L.W. Liu, X.L. Ruan, Y.P. Chen, J. Phys. Chem. C. 119(47), 26753 (2015); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b08816.

X. Shen, Z.Y. Wang, Y. Wu, X. Liu, Y.B. He, J.K. Kim, Nano Lett. 16(6), 3585 (2016); https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00722.

N. Burger, A. Laachachi, M. Ferriol, M. Lutz, V. Toniazzo, D. Ruch, Prog. Polym. Sci. 61, 1 (2016); https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2016.05.001.

M. Monti, M. Rallini, D. Puglia, L. Peponi, L. Torre, J.M. Kenny, Compos. A: Appl. Sci. Manuf. 46, 166 (2013); https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2012.11.005.

D. Ciprari, K. Jacob, R. Tannenbaum, Macromolecules 39(19), 6565 (2006); https://doi.org/10.1021/ma0602270.

D. Pitsa, M.G. Danikas, Nano 6(6), 497 (2011); https://doi.org/10.1142/s1793292011002949.

W.X. Peng, S. Rhim, Y. Zare, K.Y. Rhee, Polym. Compos. 40(3), 1117 (2019); https://doi.org/10.1002/pc.24813.

M. Pakseresht, R. Ansari, M.K. Hassanzadeh-Aghdam, Proc. Inst. Mech. Eng. Pt. L J. Mater. Des. Appl. 234(7), 910 (2020); https://doi.org/10.1177/1464420720916857.

H.M. Shodja, A.S. Sarvestani, J. Appl. Mech.-T. Asme. 68(1), 3 (2001); https://doi.org/10.1115/1.1346680.

Z.Y. Xia, S. Pezzini, E. Treossi, G. Giambastiani, F.Corticelli, V.Morandi, A. Zanelli, V. Bellani, V. Palermo, Adv. Funct. Mater. 23(37), 4684 (2013); https://doi.org/10.1002/adfm.201203686.

K. Eller, E. Henkes, R. Rossbacher, H. Höke, Amines, Aliphatic. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2002).

J. Kanzow, V. Zaporojtchenko, H. Nabika, M. Mizuhata, S. Deki, F. Faupel, Positron Annihilation, Icpa-13, Proceedings 445(6), 313 (2004); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.445-446.313.

B. Lüthi, Physical Acoustics in the Solid State (Springer, Berlin, 2005).

D. Royer, E. Dieulesaint, Elastic Waves in Solids I: Free and Guided Propagation. (Springer, Berlin, New York, 2000).

K.X. Fu, Q. Xie, F.C. Lu, Q.J. Duan, X.J. Wang, Q.S. Zhu, Z.Y. Huang, Polymers 11(6), 975 (2019); https://doi.org/10.3390/polym11060975.

https://www.americanelements.com/graphene-1034343-98-0.

T.J. Ahrens, Mineral physics and crystallography: a handbook of physical constants. (American Geophysical Union, Washington, 1995).

M.A. Isakovich, General Acoustics (Nauka, Moscow, 1973). [in Russian].

L.D. Landau, L.P. Pitaevskii, A.M. Kosevich, E.M. Lifshitz, Theory of elasticity (Butterworth-Heinemann, 1986).

Recent Advances in Structural Integrity Analysis: Proceedings of the International Congress (APCF/SIF-2014) (Elsevier Academic Press, Amsterdam, 2015).

R. Rohini, P. Katti, S. Bose, Polymer 70(23), A17 (2015); https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.06.016.

S. Zhao, H. Chang, S. Chen, J. Cui, Y. Yan, Eur. Polym. J. 84, 300 (2016); http://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2016.09.036.

H. Eslami, M. Rahimi, F. Müller-Plathe, Macromolecules 46(21), 8680 (2013); https://doi.org/10.1021/ma401443v.

E. Voyiatzis, M. Rahimi, F. Muller-Plathe, M.C. Böhm, Macromolecules 47(22), 7878 (2014); https://doi.org/10.1021/ma500556q.

H. Park, I. Chung, M. Cho, J. Polym. Sci. 58, 1617(2020); https://doi.org/10.1002/pol.20200130.

F.H. Gojny, M.H.G. Wichmann, B. Fiedler, I.A. Kinloch, W. Bauhofer, A.H. Windle, K. Schulte, Polymer 47(6), 2036 (2006); https://doi.org/10.1016/j.polymer.2006.01.029.

C. Wehlack, W. Possart, J.K. Kruüger, U. Müller, Soft Mater. 5, 87 (2007); https://doi.org/10.1080/15394450701554536.

L.D. Zhang, H.F. Zhang, G.Z. Wang, C.M. Mo, Y. Zhang, Phys. Status Solidi (A) 157(2), 483 (1996); https://doi.org/10.1002/pssa.2211570232.

S. Sagadevan, Am. J. Nano Res. Appl. 1(1), 27 (2013); https://doi.org/10.11648/j.nano.20130101.16.

T. Tanaka, M. Kozako, N. Fuse and Y. Ohki, IEEETrans. Dielectr. Electr. Insul. 12(4), 669 (2005); https://doi.org/10.1109/TDEI.2005.1511092.

V.U. Novikov, G.V. Kozlov, Russian Chem. Reviews 69(4), 347 (2000); https://doi.org/10.1070/RC2000v069n04ABEH000523.

H. Ribeiro, W.M. Silva, M.-T.F. Rodrigues, J.C. Neves, R. Paniago, C. Fantini, H.D.R. Calado, L.M. Seara, G.G. Silva, J. Mater. Sci. 48,7883 (2013); https://doi.org/10.1007/s10853-013-7478-3.

K.W. Putz, M.J. Palmeri, R.B. Cohn, R.Andrews, L.C. Brinson, Macromolecules 41(18), 6752 (2008); https://doi.org/10.1021/ma800830p.