Влияние термоциклирования на оптические свойства нанокомпозитов на основе эпоксидной смолы, модифицированной графеном и углеродными нанотрубками

  • Ирина Николаевна Пархоменко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Людмила Александровна Власукова Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Иван Дмитриевич Парфимович Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Александр Степанович Камышан Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Мария Николаевна Жукова Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

Аннотация

После термоциклирования в условиях, эквивалентных 16 ч нахождения на околоземной орбите, изучены спектры поглощения полимерных эпоксидных композитов с наполнителями «Графен» и «Таунит-МД », содержащими графеновые нанопластины и многостенные углеродные нанотрубки соответственно. Для синтезированных полимеров определены коэффициент поглощения солнечного излучения (αs) и коэффициент излучения (ε) в тепловом ИК-диапазоне. Показано, что добавление 1 мас. % углеродного наполнителя в эпоксидную матрицу приводит к возрастанию коэффициента αs с 0,88 до 0,94–0,95 и коэффициента ε с 0,93 до 0,95–0,96. Обнаружено, что термоциклические нагрузки в вакуумной камере, имитирующей условия ближнего космоса, обусловливали увеличение коэффициента αs образца с графеновыми нанопластинами на 0,5 %, тогда как для образца с углеродными нанотрубками данный показатель уменьшался на 0,4 %. Коэффициент поглощения солнечного излучения немодифицированного эпоксидного полимера после термических нагрузок снижался примерно на 2 %. Коэффициент излучения по окончании термоциклирования возрастал на величину ∆ε = 0,006 (0,6 %) для немодифицированной эпоксидной смолы и на величину ∆ε = 0,002 (0,2 %) для образцов с наполнителями. На основе данных оптической спектроскопии и ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье проанализированы физические процессы, происходящие в нанокомпозитах при термоциклировании в сочетании с УФ-облучением.

Биографии авторов

Ирина Николаевна Пархоменко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Людмила Александровна Власукова, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; заведующий научно-исследовательской лабораторией материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Иван Дмитриевич Парфимович, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории элионики

Александр Степанович Камышан, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории элионики

Мария Николаевна Жукова, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник лаборатории элионики

Литература

  1. Yang S-Y, Lin W-N, Huang Y-L, Tien H-W, Wang J-Y, Ma C-CM, et al. Synergetic effects of graphene platelets and carbon nanotubes on the mechanical and thermal properties of epoxy composites. Carbon. 2011;49(3):793–803. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.10.014.
  2. Jin SB, Son GS, Kim YH, Kim CG. Enhanced durability of silanized multi-walled carbon nanotube / epoxy nanocomposites under simulated low earth orbit space environment. Composites Science and Technology. 2013;87:224–231. DOI: 10.1016/j.compscitech.2013.08.017.
  3. Earp B, Hubbard J, Tracy A, Sakoda D, Luhrs C. Electrical behavior of CNT epoxy composites under in situ simulated space environments. Composites. Part B, Engineering. 2021;219:108874. DOI: 10.1016/j.compositesb.2021.108874.
  4. Wazalwar R, Sahu M, Raichur AM. Mechanical properties of aerospace epoxy composites reinforced with 2D nano-fillers: current status and road to industrialization. Nanoscale Advances. 2021;3(10):2741–2776. DOI: 10.1039/D1NA00050K.
  5. Zhang W, Yi M, Shen Z, Zhao X, Zhang X, Ma S. Graphene-reinforced epoxy resin with enhanced atomic oxygen erosion resistance. Journal of Materials Science. 2013;48(6):2416–2423. DOI: 10.1007/s10853-012-7028-4.
  6. Park SY, Choi HS, Choi WJ, Kwon H. Effect of vacuum thermal cyclic exposures on unidirectional carbon fiber / epoxy composites for low earth orbit space applications. Composites. Part B, Engineering. 2012;43(2):726–738. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.03.007.
  7. Shin K-B, Kim C-G, Hong C-S, Lee H-H. Prediction of failure thermal cycles in graphite/epoxy composite materials under simulated low earth orbit environments. Composites. Part B, Engineering. 2000;31(3):223–235. DOI: 10.1016/S1359-8368(99)00073-6.
  8. Ghasemi-Kahrizsangi A, Shariatpanahi H, Neshati J, Akbarinezhad E. Degradation of modified carbon black / epoxy nanocomposite coatings under ultraviolet exposure. Applied Surface Science. 2015;353:530–539. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.06.029.
  9. Yue L, Pircheraghi G, Monemian SA, Manas-Zloczower I. Epoxy composites with carbon nanotubes and graphene nanoplatelets – dispersion and synergy effects. Carbon. 2014;78:268–278. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.07.003.
  10. Zhang B, Chen Y, Wang J, Blau WJ, Zhuang X, He N. Multi-walled carbon nanotubes covalently functionalized with polyhedral oligomeric silsesquioxanes for optical limiting. Carbon. 2010;48(6):1738–1742. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.01.015.
  11. Martin CA, Sandler JKW, Shaffer MSP, Schwarz M-K, Bauhofer W, Schulte K, et al. Formation of percolating networks in multi-wall carbon-nanotube – epoxy composites. Composites Science and Technology. 2004;64(15):2309–2316. DOI: 10.1016/j.compscitech.2004.01.025.
  12. Durmus H, Safak H, Akbas HZ, Ahmetli G. Optical properties of modified epoxy resin with various oxime derivatives in the UV‐VIS spectral region. Journal of Applied Polymer Science. 2011;120(3):1490–1495. DOI: 10.1002/app.33287.
  13. Jilani W, Fourati N, Zerrouki C, Faugeras P-A, Guinault A, Zerrouki R, et al. Exploring the structural properties and enhancement of opto-electrical investigations for the synthesized epoxy based polymers with local nanoscale structures. Materials Research Express. 2020;7:035305. DOI: 10.1088/2053-1591/ab7b2a.
  14. Bouzidi A, Omri K, El Mir L, Guermazi H. Preparation, structural and optical investigations of ITO nanopowder and ITO/epoxy nanocomposites. Materials Science in Semiconductor Processing. 2015;39:536–543. DOI: 10.1016/j.mssp.2015.04.051.
  15. Kaya İ, Gül M, Şenol D. Synthesis and characterization of epoxy resins containing imine group and their curing processes with aromatic diamine. Journal of Macromolecular Science. Part A, Pure and Applied Chemistry. 2019;56(6):618–627. DOI: 10.1080/10601325.2019.1596747.
  16. Noreen F, Bibi A, Khalid N, Khan IU. Azomethine ether-based potential curing agent for epoxy resin (diglycidyl ether of bisphenol A): synthesis and characterization. Journal of Elastomers & Plastics. 2021;53(4):283–295. DOI: 10.1177/0095244320928570.
  17. Saravanan K, Sathiyanarayanan S, Muralidharan S, Azim SS, Venkatachari G. Performance evaluation of polyaniline pigmented epoxy coating for corrosion protection of steel in concrete environment. Progress in Organic Coatings. 2007;59(2):160–167. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2007.03.002.
  18. Xie R, Darvishzadeh R, Skidmore A, van der Meer F. Characterizing foliar phenolic compounds and their absorption features in temperate forests using leaf spectroscopy. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2024;212:338–356. DOI: 10.1016/j.isprsjprs.2024.05.014.
  19. Ben-Dor E, Inbar Y, Chen Y. The reflectance spectra of organic matter in the visible near-infrared and short wave infrared region (400–2500 nm) during a controlled decomposition process. Remote Sensing of Environment. 1997;61(1):1–15. DOI: 10.1016/S0034-4257(96)00120-4.
  20. Watanabe A, Furukawa H, Miyamoto S, Minagawa H. Non-destructive chemical analysis of water and chlorine content in cement paste using near-infrared spectroscopy. Construction and Building Materials. 2019;196:95–104. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.11.114.
  21. Chabert B, Lachenal G, Vinh Tung C. Epoxy resins and epoxy blends studied by near infrared spectroscopy. Macromolecular Symposia. 1995;94(1):145–158. DOI: 10.1002/masy.19950940113.
  22. Doblies A, Boll B, Fiedler B. Prediction of thermal exposure and mechanical behavior of epoxy resin using artificial neural networks and Fourier transform infrared spectroscopy. Polymers. 2019;11(2):363. DOI: 10.3390/polym11020363.
  23. Cole KC, Noel D, Hechler JJ. Characterization of epoxy – graphite composites by diffuse reflectance FTIR. In: Cameron DG, Grasselli JG, editors. 1985 International conference on Fourier and computerized infrared spectroscopy; 1985 January 1–2; Ottawa, Canada. Bellingham: SPIE; 1985. p. 114 (Proceedings of SPIE; volume 0553). DOI: 10.1117/12.970727.
  24. Lin SC, Bulkin BJ, Pearce EM. Epoxy resins. III. Application of Fourier transform IR to degradation studies of epoxy systems. Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition. 1979;17(10):3121–3148. DOI: 10.1002/pol.1979.170171006.
  25. Jana S, Zhong W-H. FTIR study of ageing epoxy resin reinforced by reactive graphitic nanofibers. Journal of Applied Polymer Science. 2007;106(5):3555–3563. DOI: 10.1002/app.26925.
  26. Allen RO, Sanderson P. Characterization of epoxy glues with FTIR. Applied Spectroscopy Reviews. 1988;24(3–4):175–187. DOI: 10.1080/05704928808060457.
  27. Zhang Z, Wang C, Huang G, Liu H, Yang S, Zhang A. Thermal degradation behaviors and reaction mechanism of carbon fibre – epoxy composite from hydrogen tank by TG-FTIR. Journal of Hazardous Materials. 2018;357:73–80. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.05.057.
  28. Баженов ЮМ, Король ЕА, Ерофеев ВТ, Митина ЕА. Ограждающие конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности: основы теории, методы расчета и технологическое проектирование. Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов; 2008. 320 с.
  29. Чашкин МА, Тринеева ВВ, Вахрушина МА, Захаров АИ, Кодолов ВИ. ИК-спектроскопическое исследование структуры эпоксидной композиции, модифицированной медь-углеродным нанокомпозитом, и процессов, связанных с ее модификацией. Химическая физика и мезоскопия. 2012;14(2):223–230. EDN: PJLWLL.
Опубликован
2025-01-20
Ключевые слова: термоциклы, эпоксидная смола, графен, углеродные нанотрубки, поглощение солнечного излучения
Поддерживающие организации Работа выполнена в рамках государственной программы научных исследований «Конвергенция-2025» (задание 3.07.1.2, № гос. регистрации 20211910, и задание 3.07.1, № гос. регистрации 20211235).
Как цитировать
Пархоменко, И. Н., Власукова, Л. А., Парфимович, И. Д., Камышан, А. С., & Жукова, М. Н. (2025). Влияние термоциклирования на оптические свойства нанокомпозитов на основе эпоксидной смолы, модифицированной графеном и углеродными нанотрубками. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 29-37. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/6800
Выпуск
№ 1 (2025): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Наноматериалы и нанотехнологии

Copyright (c) 2025 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).