Синтез и исследование электрофизических свойств композитных материалов на основе полиэтилена и многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных наноразмерными частицами Co и Fe-Co сплава

Проект направлен на развитие научных основ формирования многокомпонентных композиционных материалов, объединяющих в своем составе компоненты различной природы, а также исследования зависимостей «строение – свойства» сложных композиционных материалов на основе полиэтилена и многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ), модифицированных наноразмерными частицами Co. Основная стратегия работы заключалась в получении композитных материалов с равномерно распределенными МУНТ и наноразмерными частицами Со в структуре полимерной матрицы. Для решения поставленных задач была проведена оптимизация методов получения композитных материалов на основе Со/МУНТ на основании данных исследования формирования интерфейсов, строения и морфологии систем: «МУНТ-наночастицы кобальта»; «МУНТ-полиэтиленовая матрица». Системы Со/МУНТ были получены с использованием метода однократной и многократной пропитки по влагоемкости МУНТ (со средним диаметром 9,4 нм), растворами нитрата Co. Для обеспечения дополнительного связывания между МУНТ и предшественником Со были использованы функционализированные МУНТ-Ox-NA, содержащие поверхностные карбоксильные группы (0,76 групп на 1 нм⁻²). Применение данных подходов позволило получить образцы с содержанием Со от 3,5 до 55 мас. %. Оптимизированы условия постобработки образцов Со/МУНТ (температура прокаливания и восстановления). Полученные образцы были охарактеризованы комплексом физико-химических методов (РФлА, РФА, ⁵⁹Со ЯМР-спектроскопии во внутреннем поле, ПЭМ). По данным метода ПЭМ в образцах, содержащих до 7,5 мас. % Co частицы Co0 присутствуют в основном внутри каналов МУНТ с размером 3 - 5 нм. Увеличение содержания Со (в диапазоне от 10 до 55 мас. %) приводит к росту размеров частиц металлического Со с 5 - 10 до 50 - 80 нм. Последние образцы содержат частицы Со, как во внутренних каналах трубок (с максимальным диаметром 5 нм и различной длиной), так и на их поверхности. Для получения системы «тройных композитных материалов Co/МУНТ-ПЭ» был использован метод in situ полимеризации, в котором Ti-содержащий катализатор полимеризации был предварительно адсорбирован на поверхность (3,5 - 55 мас.% Co)/МУНТ-Ox-NA систем, который позволил получить композитные материалы с равномерным распределением Со/МУНТ-Ox-NA в структуре матрицы полиэтилена. Оптимизированы условия синтеза тройных композитных материалов и получены образцы Со/МУНТ-ПЭ, содержащих 10 - 15 мас.% Co/МУНТ-Oх-NA, в которых содержание кобальта варьировалось от 0,5 до 5 мас.%. Полученные композитные материалы были исследованы методами: РФА, ПЭМ и ⁵⁹Со ЯМР-спектроскопии во внутреннем поле. На основе полученных данных существлен выбор композитных материалов с равномерным распределением МУНТ в составе полимерной матрицы. Для отобранных систем было проведено исследование электрофизических свойств. Показано, что электропроводность полученных композитных материалов в основном зависит от содержания МУНТ, добавление Со приводит небольшому увеличению проводимости, в случае, когда в качестве добавки использовались образцы Со/МУНТ, полученные методом однократной пропитки. Значения величин комплексной диэлектрической проницаемости для этих образцов находятся в хорошем согласии с данными по электропроводности. Исследование электромагнитного отклика показало, что композитные материалы, сочетающие в себе свойства трех различных соединений Co-МУНТ-ПЭ могут быть использованы в качестве перспективного материала для создания широкополосных конструкций эффективно отражающих электромагнитное излучение в диапазоне частот (10 - 16 ГГц). Такой комплексный подход позволит получить новые материалы с контролируемыми электромагнитными свойствами за счет изменения как диэлектрических, так и магнитных свойств композитов путем варьирования содержания МУНТ и наноразмерных частиц металлов, соответственно.