НОВЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ ДОПИРОВАННЫЕ УНТ: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 5
1. Углеродные нанотрубки: структура и свойства 5
1.1. Структурные параметры углеродных нанотрубок 6
1.2. Свойства углеродных нанотрубок 9
1.3. Углеродные нанотрубки как адсорбирующие материалы 15
2. Общие сведения о свойствах и практическом применении полипропилена 17
2.1. Основные свойства полипропилена 17
2.2. Практическое применение полипропилена 19
3. Методы расчета наносистем 22
3.1. Полуэмпирические методы MNDO и MNDO-PM/3 22
3.2. Теория функционала плотности 23
ГЛАВА 2. МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТРУКТУРНЫХ ЕДИНИЦ ПОЛИПРОПИЛЕНА С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ 29
1. Теоретические исследования процесса адсорбции полипропилена с УНТ (6, 0) 31
2. Теоретические исследования процесса адсорбции полипропилена с УНТ размера (8, 8) 33
3. Теоретические исследования процесса адсорбции полипропилена с УНТ размера (7, 1) 34
4. Теоретические исследования процесса адсорбции полипропилена с УНТ размера (9, 0) 35
5. Теоретические исследования процесса адсорбции полипропилена с УНТ размера (6, 6) 37
6. Теоретические исследования процесса адсорбции двух молекул пропилена с углеродными нанотрубками типа «arm-chair» 38
7. Теоретические исследования процесса адсорбции трех молекул пропилена с углеродными нанотрубками типа «arm-chair» 40
8. Теоретические исследования процесса адсорбции четырех молекул пропилена с углеродными нанотрубками типа «arm-chair» 42
9. Теоретические исследования процесса адсорбции полипропилена с углеродными нанотрубками 44
ГЛАВА 3. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА, ДОПИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ 47
1. Технология получения новых композитных полимерных материалов, допированных углеродными нанотрубками 47
2. Экспериментальные исследования прочностных характеристик полученных образцов полимерных нанокомпозитных материалов 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 54

Весь текст будет доступен после покупки

С момента их открытия в 1991 году углеродные нанотрубки вызвали огромную активность в большинстве областей науки и техники благодаря своим беспрецедентным физическим и химическим свойствам. Ни один предыдущий материал не показал сочетание превосходных механических, тепловых и электронных свойств, приписываемых им. Эти свойства делают нанотрубки идеальными не только для широкого спектра применений , но и в качестве испытательного стенда для фундаментальной науки . Существующие области применения нанотрубок практически безграничны. С их помощью можно улучшить свойства практически всех известных материалов: сплавов, пластиков, резин, бетонов и т. д. В обозримом будущем придет время модифицированных материалов, когда до 75% всех вещей и материалов, которые нас окружают, будут содержать нанотрубки.
В настоящее время полимеры широко используются в промышленных и бытовых целях благодаря некоторым привлекательным физико-механическим свойствам, таким как простота обработки, низкая плотность, устойчивость к химическим веществам, устойчивость к высокой температуре и электричеству, а также высокая прочность. Полимерные материалы все чаще испoльзуются вo всех сферах челoвеческoй деятельности. Сегодня трудно представить нашу жизнь без испoльзoвания пoлимерных изделий. Полимеры сыграли решающую рoль в развитии мнoгих отраслей прoмышленнoсти и, кoнечнo же, могут рассматриваться как oдин из oснoвных драйверов техническoгo прогресса. Благодаря своим уникальным свойствам данные полимерные соединения востребованы не только в промышленности и в быту, но даже в медицине.
В выпускной квалификационной работе в качестве основных исследуемых объектов выбран полимер полипропилен и углеродные нанотрубки с различными диаметрами. Этот выбор связан с их большой востребованностью в медицине, электронике и т.д. Для доказательства возможности взаимодействия УНТ с полимером были выполнены DFT расчеты процесса взаимодействия мономера полипропилена с однослойными нанотрубками различных диаметров и хиральности. В настоящее время подобные композиты практически не используются и теоретически мало изучены, поэтому выполненные исследования представляются актуальными.
Целью выпускной квалификационной работой является установление основных закономерностей электронно-энергетического строения и физико-механических характеристик композитного материала на основе полипропилена, модифицированного УНТ различных типов и хиральности, с использованием результатов теоретических исследований, выполненных с применением неэмпирического квантово-механического расчетного метода DFT, и экспериментальных механических измерений, а также предсказание на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований новых свойств и практических приложений изучаемого объекта - полимерного нанокомпозита, наполненного (допированного) УНТ - для создания новых материалов с улучшенными прочностными свойствами.
Задачи, решаемые в рамках поставленной цели: Исследование активности исследуемого полипропилена по отношению к углеродным нанотрубкам, которые используются для модификации полипропилена и получения нового композиционного полимерного материала, обладающего улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Структура выпускной квалификационной работы состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы.

Весь текст будет доступен после покупки

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1. Углеродные нанотрубки: структура и свойства
Углеродные нанотрубки (УНТ) – это протяженные свернутые графитовые плоскости, имеющие цилиндрическую форму. Как правило, толщина их достигает нескольких десятков нанометров, с длиной в несколько сантиметров. На конце нанотрубок образуется сферическая головка, которая является одной из частей фуллерена [1].
1.1. Структурные параметры углеродных нанотрубок
Одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) обладают превосходными электронными свойствами и имеют большой потенциал для возможного будущего применения в наноэлектронике. Уникальные свойства ОУНТ напрямую связаны с их структурной организацией или хиральностью. Селективный и полностью контролируемый синтез чистых по хиральности ОУНТ является давней целью, которая имеет решающее значение для их последующего применения.
Хиральность (от греч. Hiros – рука) – тип зеркальной симметрии, при котором левый и правый варианты фигуры не могут быть совмещены друг с другом (подобно симметрии кистей рук). Рассмотрим подробно как из графитового листа получаются нанотрубки (рис.1). Вектора а1 и а2 являются
базисными векторами элементарной ячейки графитового листа. Вектор С является линейной комбинацией векторов а1 и а2 и соединяет две эквивалентные точки на первичном графитовом листе:[2].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Углеродные нанотрубки: производство, применение, свойства. – Режим доступа: http://fb.ru/article/231011/uglerodnyie-nanotrubki-proizvodstvo-primenenie-svoystva.
2. Углеродные нанотрубки: производство, применение, свойства. – Режим доступа: http://fb.ru/article/231011/uglerodnyie-nanotrubki-proizvodstvo-primenenie-svoystva.
3. Iijima, S. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. / S. Iijima, T. Ichihashi // Nature – 1993. – № 363. – P. 603 – 605.
4. Словарь. Нанотрубка, углеродная – Режим доступа: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1837.
5. S. Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon Nature, 354 (6348) (1991), pp. 56-58
6. M.N. Norizan, M.H. Moklis, S.Z. Ngah Demon, N.A. Halim, A. Samsuri, I.S. Mohamad, V.F. Knight, N. Abdullah Carbon nanotubes: functionalisation and their application in chemical sensors RSC Adv., 10 (2020), pp. 43704-43732
7. M.I. Sajid, U. Jamshaid, T. Jamshaid, N. Zafar, H. Fessi, A. Elaissari Carbon nanotubes from synthesis to in vivo biomedical applications Int. J. Pharm., 501 (2016), pp. 278-299
8. S. Mallakpour, S. Soltanian Surface functionalization of carbon nanotubes: fabrication and applications RSC Adv., 6 (2016), pp. 109916-109935
9. A. Eatemadi, H. Daraee, H. Karimkhanloo, M. Kouhi, N. Zarghami, A. Akbarzadeh, M. Abasi, Y. Hanifehpour, S.W. Joo Carbon nanotubes: properties, synthesis, purification, and medical applications Nanoscale Res. Lett., 9 (2014), pp. 1-13
10. Y. Xie, Z. Zhang Carbon nanotube-based CMOS transistors and integrated circuits Sci. China Inf. Sci., 64 (2021), pp. 1-16
11. Hamada, N. New one-dimensional conductors: Graphitic microtubules / N. Hamada, S. Sawada, A. Oshiyama // Physical Review Letters. – 1992. – Vol. 68, № 10. – P. 1579 – 1581.
12. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки / А.В. Елецкий // УФН. – 1997. – Т. 167, № 9 – С. 955.
13. Нанотрубки и фуллерены [Текст]: учебн. пособие / под ред. Э.Г. Ракова – М.: Университетская книга, Логос, 2014. – 376 с.
14. Дьячкова Т.П. Методы функционализации и модифицирования углеродных нанотрубок / Т.П. Дьячкова, А.Г. Ткачев – М.: Издательский дом «Спектр», 2013. – 152 с.
15. Kyotani, Т. Chemical Modification of the Inner Walls of Carbon Nanotubes by HNO3 Oxidation / T. Kyotani, S. Nakazaki, W.-H. Xu, A. Tomita // Carbon. – 2001. – Vol. 39. – P. 782 – 785.
16. Rosca, I. D. Oxidation of Multiwalled Carbon Nanotubes by Nitric Acid / I. D. Rosca, F. Watari, M. Uo, T. Akasaka // Carbon. – 2015. – Vol. 43. – P. 3124 – 3131.
17. Wang, Z. The Surface Acidity of Acid Oxidised Multi-walled Carbon Nanotubes and the Influence of In-situ Generated Fulvic Acids on their Stability in Aqueous Dispersions / Z. Wang, M. D. Shirley, S. T. Meikle еt al. // Carbon. – 2018. – Vol. 47. – P. 73 – 79.
18. Ovejero, G. Multiwalled Carbon Nanotubes for Liquid-Phase Oxidation. Functionalization, Characterization, and Catalytic Activity / G. Ovejero, J. L. Sotelo, M. D. Romero еt al. // Ind. Eng. Chem. Res. – 2016. – Vol. 45. – P. 2206 – 2212.
19. Glebova N.V. Functionalization of the Surface of Multiwalled Carbon Nanotubes / N.V. Glebova, A.A. Nechitaіlov // Technical Physics Letters. – 2016. – Vol. 36, № 10. – P. 878 – 881.
20. Datsyuk, V. Chemical Oxidation of Multiwalled Carbon Nanotubes / V. Datsyuk, M. Kalyva, K. Papagelis еt al. // Carbon. – 2015. – Vol. 46. – P. 833 – 840.
21. Mazov, I. Oxidation Behavior of Multiwall Carbon Nanotubes with Different Diameters and Morphology / I. Mazov, V. L. Kuznetsov, I. A. Simonova еt al. // Applied Surface Science. – 2012. – Vol. 258. – P. 6272 – 6280.
22. Rasheed, A. The Efficiency of the Oxidation of Carbon Nanofibers with Various Oxidizing Agents / A. Rasheed, J. Y. Howe, M. D. Dadmun, P. F. Britt // Carbon. – 2007. – Vol. 45. – P. 1072 – 1080.
23. Osorio, A.G. H2SO4/HNO3/HCl – Functionalization and its Effect on Dispersion of Carbon Nanotubes in Aqueous Media / A. G. Osorio, I. C. L. Silveira, V. L. Bueno, C. P. Bergmann // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 255. – P. 2485 – 2489.
24. Hernadi, K. Reactivity of Different Kinds of Carbon During Oxidative Purification of Catalytically Prepared Carbon Nanotubes / K. Hernadi, A. Siska, L. Thien-Nga еt al. // Solid State Ionics. – 2017. – Vol. 141–142. – P. 203 – 209.
25. Kim, Y.T. Oxidation Treatment of Carbon Nanotubes: An Essential Process in Nanocomposite with RuO2 for Supercapacitor Electrode Materials / Y.T. Kim, T. Mitani // Appl. Phys. Lett. – 2015. – Vol. 89. – P. 33 – 107.
26. Zhou, H. Study on the Chemical Modification of the Walls of Carbon Nanotubes by K2Cr2O7 and HNO3 / H. Zhou, T. Gu, D. Yang еt al. // Advanced Material Research. – 2011. – Vol. 197–198. – P. 571 – 574.
27. Martin, O. An Efficient Method for the Carboxylation of Few-wall Carbon Nanotubes with Little Damage to their Sidewalls / O. Martin, H. R. Gutierrez, A. Maroto-Valiente еt al. // Materials Chemistry and Physics. – 2013. – Vol. 13. – P. 314 – 317.
28. Kolacyak, D. Fast Functionalization of Multi-Walled Carbon Nanotubes by an Atmospheric Pressure Plasma Jet / D. Kolacyak, J. Ihde, C. Merten еt al. // Semantic Scholar. – 2016. – Vol. 140. – P. 499 – 507.
29. Journal of Colloid and Interface Science. – 2014. – Vol. 359. – P. 311 – 317.
30. Colomer, J.-F. Vertically Aligned Carbon Nanotubes: Synthesis and Atomic Oxygen Functionalization / J.-F. Colomer, B. Ruelle, N. Moreau еt al. // Surface & Coatings Technology. – 2005. – Vol. 205. – P. 592 – 596.
31. Ionescu, R. Oxygen Functionalisation of MWNT and their use as Gas Sensitive Thick-Film Layers / R. Ionescu, E. H. Espinosa, E. Sotter еt al. // Sensors and Actuators B. – 2015. – Vol. 113. – P. 36 – 46.
32. M. Jain, S.A. Khan, A. Pandey, K.K. Pant, Z.M. Ziora, M.A.T. Blaskovich
Instructive analysis of engineered carbon materials for potential application
in water and wastewater treatment Sci. Total Environ., 793 (2021).

33. Z. Yin, C. Cui, H. Chen, X. Duoni, W.Qian Yu The application of carbon Nanotube/Graphene-based nanomaterials in wastewater treatment Small, 16 (2020), p. 1902301
34. Calvaresi, F. Zerbetto Atomistic molecular dynamics simulations reveal insights into adsorption, packing, and fluxes of molecules with carbon nanotubes J. Mater. Chem. A, 2 (2014), pp. 12123-12135
35. Agnihotri, J.P.B. Mota, M. Rostam-Abadi, M.J. Rood Theoretical and experimental investigation of morphology and temperature effects on adsorption of organic vapors in single-walled carbon nanotubes J. Phys. Chem. B, 110 (2006), pp. 7640-7647
36. Чернозатонский Л. А., Сорокин П. Б. Углеродные нанотрубки: от фундаментальных исследований к нанотехнологиям / под. ред. Ю.Н. Бубнова. – М.: Наука, 2007. – С. 154-174.
37. Полипропилен [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://plastinfo.ru/information/articles/52/ , свободный.
38. Истрия пропилена [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.camelotplast.ru/info/history-polypropilen.php .
39. Полипропилен (1111): основные свойства, область применения [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://plastinfo.ru/information/articles/52/, свободный.
40. Производство и потребление полимеров в России. Основные показатели по итогам 2017 г. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://article.unipack.ru/6921, свободный.
41. Полипропилен в медицине. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.camelotplast.ru/info/polypropilen-medicina.php , свободный.
42. Dewar, M.J.S. A semiempirical model for the two-center repulsion integrals in the NDDO approximation / M.J.S. Dewar, Thiel W. // Theoret. Chem. Acta. – 1977. – V. 46. – P.89 – 104.
43. Stewart, J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods. 1. Methods. / J.J.P. Stewart //J. Comput. Chem. -1989. - Vol.10, №2. - P. 209-220.
44. Koch, W. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory / W. Koch, M. Holthausen // Weinheim : Wiley-VCH, 2002. – P. 19-28.
45. Игнатов, С.К. Квантово-химическое моделирование молекулярной структуры, физико-химических свойств и реакционной способности. Часть 1. Обзор современных методов электронной структуры и теории функционала плотности / С.К. Игнатов. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. – 2006. – 82 С.
46. Блатов, В.А. Полуэмпирические расчетные методы квантовой химии / В.А. Блатов, А.П. Шевченко, Е.В. Пересыпкина. – Самара: Изд-во «Универс-групп». – 2005. – 32С.
47. Элбакян Л.С. Получение новых стоматологических пластмасс, допированием углеродными нанотрубками / Л.С. Элбакян, И.В. Запороцкова // Физиология и медицина. Исследования, высокие технологии, стартапы: сборник статей Шестой международной научно-практической конференции “Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине” г. Санкт–Петербург 22-23 мая 2014 г – Санкт–Петербург: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – с. 33-35.

48. Элбакян Л.С. О возможности создания полимерных нанокомпозитов на основе метакриловой кислоты путем их армирования углеродными нанотрубками / Л.С. Элбакян, И.В. Запороцкова // Евразийский Союз ученых. – Х. – 2014, с. 39 – 42.

Весь текст будет доступен после покупки