Вплив окиснення графену на термічну деструкцію епокси-графенових композитів
Анотація
У роботі досліджена участь електронної підсистеми графенових наночастинок в теплопереносі на міжфазній поверхні з епоксидним полімером, її участь у процесах термічної деструкції епоксидної матриці та концентраційний інтервал впливу підсистеми графену на терморуйнування полімерної матриці. Для цього використано композити епоксидної смоли з частинками окисненого на неокисненого графену, які отримані електрохімічним методом. Частинки характеризуються однаковою дисперсією та аналогічними спектрами дефектів. Частинки мають однакову кристалічну структуру, але відрізняються тим, що в композитах з окисненим графеном участь електронної підсистеми у теплофізичних процесах на міжфазній поверхні блокована атомарним шаром адсорбованого кисню.
Досліджено композити епоксидної смоли, наповнені однаковими наночастинками неокисненого і окисненого графену в інтервалі наповнень 0.0, 1.0, 2.0, і 5.0 мас%. Частинки багатошарового графену характеризувалися методами рентгентгено-структурного аналізу (РСА) і Рамінівської спектроскопії (СКР) як двомірні структури з числом шарів близько 100. Десорбційні криві епоксидної смоли і композитів отримано за результатами досліджень методом термопрограмованої десорбційної мас-спектроскопії (ТПДМС) фрагментів з 15 ≤ m/z ≤108 в інтервалі температур 35-800 °С.
Визначено енергію активації деструкції атомних фрагментів 35-150 кДж/моль і отримано температурні і масові залежності десорбції атомних фрагментів.
Встановлено, що в композитах з неокисненим графеном при наповненні С ≤ 1 мас% електронна підсистема частинок графену бере участь в термодеструкції, підвищуючи термостійкість композитів. При збільшенні наповнення поведінка термодеструкції в ненаповненій смолі і її композитах з неокисненим і окисненим графеном аналогічна і характеризується немонотонною зміною інтенсивності термічної деструкції атомних фрагментів. Проведено аналіз теплових процесів на міжфазній границі композитів епоксидної смоли з багатошаровим графеном.
Посилання
1. Chen S., Zhimei S., Feng L. Strain engineering of graphene: a review. Nanoscale. 2016. 8: 3207. https://doi.org/10.1039/C5NR07755A
2. Wang M., Duan X., Xu Y., and Duan X. Functional Three-Dimensional Graphene/Polymer Composites. ACS Nano. 2016. 10(8): 7231. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b03349
3. Dhand V., Rhee K.Y., Kim H.J., Jung, D.H. A comprehensive review of graphene nanocomposites: research status and trends. J. Nanomater. 2015. 1: 2013. https://doi.org/10.1155/2013/763953
4. Sung-Chiun Shiu, Jia-Lin Tsa. Characterizing thermal and mechanical properties of graphene epoxy nanocomposites. Composites. Part B. Engineering. 2014. 56(1): 691. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.09.007
5. Shahil K.M.F., Balandin A.A. Graphene-multilayer graphene nanocomposites as highly efficient thermal interface materials. Nano Lett. 2012. 12: 861. https://doi.org/10.1021/nl203906r
6. Sigareva N.V., Gorelov B.M., Mistchanchuk О.V., Starokadomsky D.L. Thermal and mechanical properties of nonoxidized graphene-epoxy composites at low graphene loading. Chemistry, Physics and Technology of Surfaces. 2020. 11(3): 291. https://doi.org/10.15407/hftp11.03.291
7. Ajorloo M., Fasihi M., Ohshima M., Taki K. How are the thermal properties of polypropylene/graphene nanoplatelet composites affected by polymer chain configuration and size of nanofiller? Materials and Design. 2019. 181(5): 108068. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108068
8. Pascault JP, Williams RJJ. Epoxy polymers:new materials and innovations. In: Weinheim: (John Wiley & Sons, Inc, 2010). https://doi.org/10.1002/9783527628704
9. Xia ZY, Pezzini S, Treossi E, Giambastiani G, Corticelli F, Morandi V, Zanelli A, Bellani V, Palermo V. The exfoliation of graphene in liquids by electrochemical, chemical, and sonication - assisted techniques: a nanoscale study. Adv Funct Mater. 2013. 23: 4684. https://doi.org/10.1002/adfm.201203686
10. Gregg S.J, Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. In: Academic Press. (London, New York, 1982).
11. Yukhymchuk V.O., Valakh M.Ya., Hreshchuk O.M, Havrylyuk Ye.O., Yanchuk I.B., Yefanov V.A., Aarif R.N., Rozhin A.G., Skoryk M.A.. Properties of graphene flakes obtained by treating graphite with ultrasound. Ukr. J. Phys. 2017. 62(5): 432.
12. Das A., Chakraborty B., and Sood A. K. Raman spectroscopy of graphene on different substrates and influence of defects. Bull. Mater. Sci. 2008. 31: 579. https://doi.org/10.1007/s12034-008-0090-5
13. Andrea C. Ferrari. Raman spectroscopy of grapheme and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. Sol. State Comm. 2007. 143: 47. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2007.03.052
14. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc. 1958. 80: 1339. https://doi.org/10.1021/ja01539a017
15. Pokrovskiy V.A. Temperature-programmed desorption mass spectrometry. J Therm Anal Calorim. 2000. 62(2): 407.
16. Guo Y., Zhang H., Liu Y. Desorption characteristics n-kinetic parameters determination of molecular and sieve by thermogravimetric analysis technic. Adsorp. Sci. Tech. 2018. 36(7-8): 1389. https://doi.org/10.1177/0263617418772665
17. Gorelov B., Gorb A., Nadtochiy A., Starokadomsky D., Kuryliuk V., Sigareva N., Shulga S., Ogenko V., Korotchenkov O., Polovina O. Loading effects in thermal properties of epoxy filled with bare and oxidized multi-layered graphene nanoplatelets: a comparative study. Journal of Materials Science. 2019. 54(12): 9247. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03523-7
