Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Исследование физико-химических свойств гибридных наноструктур необходимо для создания современных композиционных материалов, представляющих интерес для различных областей науки и техники. Объединение графеноподобных материалов (ГПМ), оксида графита (ОГ) и углеродных нанотрубок (УНТ) обладает большим потенциалом для создания указанных материалов. Сочетание протяженных УНТ, действующих как разделители между двумерными листами ГПМ/ОГ, позволяет конструировать электропроводящие 3D-наноструктуры. Такая гибридная структура предотвращает сжатие графеновых листов и агломерацию углеродных нанотрубок [1, 2]. Известно, что листы ОГ могут быть легко диспергированы в водном растворе и это позволяет ему быть популярным прекурсором для изготовления углеродных гибридных материалов на его основе [2, 3]. Дополнительное окисление одностенных УНТ (ОУНТ) приводит к образованию кислород-содержащих функциональных групп, снижающих тенденцию к агрегации ОУНТ в воде, и образующих водородные связи между УНТ и оксидом графита [3, 4], что также может дать возможность УНТ адсорбироваться на базисных плоскостях листов ОГ при сушке. Такой подход улучшает соединение между ОУНТ и оксидом графита перед совместным восстановлением, а устранение агрегации УНТ позволяет увеличить удельную поверхность получаемых гибридных бинарных систем ОУНТ/ГПМ.
Настоящая работа посвящена исследованию электрофизических свойств новых потенциальных наполнителей бинарного состава на основе термовосстановленного оксида графита, функционализированного с помощью одностенных УНТ, для композиционных РПМ. Измеренные характеристики таких наполнителей могут определять электрофизические свойства полимерных композиционных материалов на их основе.
Оксид графита получали по методу [5]. Образцы термовосстановленного оксида графита (ТВОГ) и ТВОГ-900 (900 — температура отжига образца в °С), являющиеся продуктом восстановления ОГ, были получены по методике [6]. Исходными компонентами для приготовления гибридных материалов бинарного состава были ОГ и ОУНТ (Tuball™) производства “OCSiAl” (Россия) и окисленные ОУНТ. Для получения исследуемых гибридных углеродных нанокомпозитов были созданы прекурсоры – водные смеси на основе ОГ бинарного состава двух типов – с окисленными ОУНТ (о-ОУНТ) и с исходными ОУНТ. Прекурсоры для получения гибридных образцов имели следующий состав: для I – о-ОУНТ 10 масс.% + ОГ, для II – о-ОУНТ 20 масс.% + ОГ, для III – ОУНТ 10 масс.% + ОГ, для IV – ОУНТ 20 масс.% + ОГ. Для получения экспериментальных образцов указанные прекурсоры сушили при 368 К и подвергали последующей термообработке при 1173 К в течение 3 ч. Полученные образцы бинарных гибридных наноматериалов состава ТВОГ + ОУНТ являлись продуктом термического восстановления оксида графита в присутствии ОУНТ [3]. Комплексная диэлектрическая проницаемость (КДП) порошков измерялась резонаторным методом на частоте 9.8 ГГц [7].
На всех СЭМ-изображениях гибридных образцов ТВОГ + ОУНТ с различным содержанием ОУНТ отчетливо видна слоистая структура образцов со встроенными ОУНТ (рисунок). Углеродные нанотрубки расположены на поверхности графеновых нанопластин, образуя сэндвич-подобную структуру. При этом предварительное окисление ОУНТ приводит к более равномерному их распределению по поверхности ТВОГ, тогда как исходные ОУНТ в основном собираются в пучки значительно большего диаметра.
Диэлектрические свойства потенциального наполнителя (КДП и ) в зависимости от его структуры и состава фактически определяют перспективность его применения для радиопоглощающих и экранирующих материалов. Бесконтактный резонаторный метод определения электрофизических характеристик пористых материалов в СВЧ-диапазоне позволил проследить изменение значений КДП и tgd в зависимости от состава бинарных гибридных нанокомпозитов на частоте 9,8 ГГц. Величина высокочастотной проводимости порошков определялась по формуле
где — частота (таблица).
Электрофизические характеристики изученных углеродных наноматериалов
Образец | ТВОГ | ТВОГ-900 | I | II | III | IV | ОУНТ | о-ОУНТ |
ε/ | 1,29 | 1,63 | 6,03 | 4,76 | 3,13 | 4,93 | 7,16 | 9,14 |
ε// | 0,03 | 0,32 | 1,23 | 0,67 | 0,32 | 0,84 | 2,46 | 2,03 |
tgδ | 0,03 | 0,18 | 0,20 | 0,14 | 0,10 | 0,17 | 0,34 | 0,22 |
σсвч, См/м | 0,02 | 0,17 | 0,74 | 0,35 | 0,17 | 0,44 | 1,30 | 1,07 |
В результате термообработки образцов I–IV при 1173 К происходит совместное восстановление оксида графита в присутствии неокисленных (образцы III и IV) либо предварительно окисленных ОУНТ (образцы II и I). Видно, что значения электрофизических параметров сильно зависят от состава бинарных гибридных образцов. Наличие в прекурсорах о-ОУНТ и ОУНТ привело к росту ε/, ε//, tgδ и σсвч у гибридных образцов по сравнению с аналогичными характеристиками ТВОГ и ТВОГ-900, что продемонстрировало их способность связывать между собой графеновые слои и может свидетельствовать об их сильном влиянии. Значения КДП и σсвч образцов I и II, в прекурсоре которых были о-ОУНТ, значительно превышают аналогичные значения для образца III, при этом наличие 10 масс.% о-ОУНТ в прекурсоре у образца I привело к максимальным значениям КДП и σсвч среди гибридных нанокомпозитов. В данном случае резонаторный метод, по-видимому, чувствителен к морфологии образца. Анализ литературных данных [2] позволяет предположить наличие более сильных связей между ОГ и о-ОУНТ по сравнению со связями между ОГ и ОУНТ в прекурсорах образцов, и, соответственно, в гибридных нанокомпозитах, полученных на их основе после прогрева при 1173 К.
Значения КДП и σсвч выявили то, какой из двух компонентов гибидных образцов (графеновый материал или ОУНТ) играет доминирующую роль в проводящих свойствах. Для образца III, содержащего в прекурсоре 10 масс.% ОУНТ, главную роль в проводящих свойствах играет графеновая компонента гибридных композитов, так как его значения σсвч не превышают аналогичных значений для ТВОГ-900. Наличие в прекурсоре 10 % о-ОУНТ (I), 20 % о-ОУНТ (II) и 20 % ОУНТ (IV) увеличила высокочастотную электропроводность после термообработки по сравнению с ТВОГ-900, свидетельствуя о превалируемом влиянии одностенных углеродных нанотрубок. Это можно объяснить тем, что введенные ОУНТ, участвуя в формировании проводящей сети, способны связывать между собой графеновые слои, что отразилось на увеличении измеренных параметров (см. таблицу).
В заключение можем отметить, что полученные данные позволяют упростить отбор потенциальных эффективных углеродных наноструктурных наполнителей для радиопоглощающих композиционных материалов.
