Композиции полилактида с углеродными нанонаполнителями: получение, структура, свойства

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Рассмотрено современное состояние исследований композиций, содержащих в качестве нанонаполнителей производные графена. Обобщены результаты работ, проведенных в Федеральном исследовательском центре химической физики Российской академии наук по получению наполненных композиций на основе полилактида и углеродных нанонаполнителей – восстановленного оксида графена и нанопластин графита с использованием двух независимых методов – экологически чистого твердофазного смешения компонентов под действием сдвиговых деформаций и жидкофазного синтеза. Проведено сравнительное изучение механических, термических и электрических свойств композиций в зависимости от метода получения и природы используемых нанонаполнителей и установлено их влияние на структуру и комплекс свойств образующихся композиционных материалов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. З. Роговина

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: s.rogovina@mail.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Косыгина, 4

О. П. Кузнецова

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Email: s.rogovina@mail.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Косыгина, 4

М. М. Гасымов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Email: s.rogovina@mail.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Косыгина, 4

С. М. Ломакин

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук

Email: s.rogovina@mail.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Косыгина, 4; 119334 Москва, ул. Косыгина, 4

В. Г. Шевченко

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова Российской академии наук

Email: s.rogovina@mail.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Косыгина, 4; 117393 Москва, ул. Профсоюзная, 70

А. А. Берлин

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Email: s.rogovina@mail.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Косыгина, 4

References

  1. Tiwari S., Sahoo S., Wang N., Huczko A. // J. Sci.: Adv. Mater. Devices. 2020. V. 5. P. 10.
  2. Mbayachi V.B., Ndayiragije E., Sammani T., Taj S., Mbuta E.R., Khan A.U. // Results Chem. 2021. V. 3. P. 100163.
  3. Urade A.R., Lahiri I., Suresh K.S. // JOM. 2023. V. 75. P. 614.
  4. Zhu Y, Ji H., Cheng H.-M., Ruoff R.S. // Natl. Sci. Rev. 2018. V. 5. P. 90.
  5. Choi S.H., Yun S.J., Won S.B., Oh C.S., Kim S.M., Kim K.K., Lee Y.H. // Nat. Commun. 2022. V. 13. P. 1484.
  6. Kamali A.R., Fray D.J. // Nanoscale. 2015. V. 7. P. 11310.
  7. Eigler S., Enzelberger-Heim M., Grimm S., Hofmann P., Kroener W., Geworski A., Dotzer C., Röckert M., Xiao J., Papp C., Lytken O., Steinruck H.- P., Muller P., Hirsch A. // Adv. Mater. 2013. V. 25. P. 3583.
  8. Mattevi C., Kim H., Chhowalla M. // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. P. 3324.
  9. Bae S., Kim H., Lee Y., Xu X., Park J.-S., Zheng Y., Balakrishnan J., Lei T., Kim H.R., Song Y., Kim Y.-J., Kim K.S., Ozyilmaz B., Ahn J.-H., Hong B.H., Iijima S. // Nat. Nanotechnol. 2010. V. 5. P. 574.
  10. Allen M.J., Tung V.C., Kaner R.B. // Chem. Rev. 2010. V. 110. P. 132.
  11. Yi M., Shen Z. // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. P. 11700.
  12. Hernandez Y., Nicolosi V., Lotya M., Blighe F.M., Sun Z., De S., McGovern I.T., Holland B., Byrne M., Gun’Ko Y.K., Boland J.J., Niraj P., Duesberg G., Krishnamurthy S., Goodhue R., Hutchison J., Scardaci V., Ferrari A.C.,Coleman J.N. // Nat. Nanotechnol. 2008. V. 3. P. 563.
  13. Li D., Müller M.B., Gilje S., Kaner R.B., Wallace G.G. // Nat. Nanotechnol. 2008. V. 3. P. 101.
  14. Lin L., Peng H., Liu Z. // Nat. Mater. 2019. V. 18. P. 520.
  15. Zhang X., Hikal W.M., Zhang Y., Bhattacharia S.K., Li L., Panditrao S., Wang S., Weeks B.L. // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. P. 141905.
  16. Zhang Z.Z., Fu X.L., Yu H.J., Tao W.J., Mao C.J., Chen J.S., Wu M., Chen P. // Compos. Commun. 2021. V. 24. P. 100661.
  17. Aftab S.M.A., Shaikh R.B., Saifullah B., Hussein M.Z., Ahmed K.A. // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2083. P. 030002.
  18. Kausar A., Ahmad I., Eisa M.H., Maaza M. // C – J. Carb. Res. 2023. V. 9. P. 29.
  19. Bagade S.S., Patel S., Malik M.M., Patel P.K. // C – J. Carb. Res. 2023. V. 9. P. 70.
  20. Mahmoudi T., Wang Y., Hahn Y.-B. // Nano Energy. 2018. V. 47. P. 51.
  21. Iqbal T., Fatima S., Bibi T., Zafar M. // Opt. Quantum Electron. 2021. V. 53. P. 228.
  22. Sengupta J., Hussain C.M. // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 3146.
  23. El-Kady M.F., Shao Y., Kaner R.B. // Nat. Rev. Mater. 2016. V. 1. P. 16033.
  24. Li C., Zhang X., Sun C., Wang K., Sun X., Ma Y. // J. Phys., Appl. Phys. 2019. V. 52. P. 143001.
  25. Dong Y., Wu Z.-S., Ren W., Cheng H.-M., Bao X. // Sci. Bull. 2017. V. 62. P. 724.
  26. Velasco A., Ryu Y.K., Bosca A., Ladron-de-Guevara A., Hunt E., Zuo J., Pedros J., Calle F., Martinez J. // Sustain. Energy Fuels. 2021. V. 5. P. 1235.
  27. Ke Q., Wang J. // J. Materiomics. 2016. V. 2. P. 37.
  28. Yang C. // Int. J. Smart Grid Clean Energy. 2021. V. 12. P. 1.
  29. Bokhari S.W., Siddique A.H., Sherrell P.C., Yue X., Karumbaiah K.M., Wei S., Ellis A.V., Gao W. // Energy Reports. 2020. V. 6. P. 2768.
  30. Achoa G.L., Mattos P.A., Clements A., Roca Y., Brooks Z.E. // J. Biomater. Appl. 2023. V. 38. P. 313.
  31. Daneshmandi L., Barajaa M., Rad T.A., Sydlik S.A., Laurencin C.T. // Adv. Healthc. Mater. 2021. V. 10. P. 1.
  32. Malisz K., Swieczko-Zurek B. // Crystals. 2023. V. 13. P. 1413.
  33. Arshad F., Nabi F., Iqbal S., Khan R.H. // Colloids Surf., Biointerfaces. 2022. V. 212. P. 112356.
  34. Ruh G., Wittmann G., Koenig G., Neumaier D. // Beilstein J. Nanotechnol. 2017. V. 8. P. 1056.
  35. Majumder S., Patil N., Dutta S. // Carbon. 2024. V. 216. P. 118557.
  36. Quinones J.T., Yun M. // Microelectron. Eng. 2023. V. 269. P. 111915.
  37. Rosso M.D., Brodie C.H., Ramalingam S., Cabral D.M., Pensini, Singh E.A., Collier C.M. // Scientific Reports. 2019. V. 9. P. 5773.
  38. Liu J., Bao S., Wang X. // Micromachines. 2022. V. 13. P. 184.
  39. Lee G., Yang G., Cho A., Han J.M., Kim J. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. P. 14198.
  40. Zhang R., Yu X., Yang Q., Cui G., Li Z. // Constr. Build. Mater. 2021. V. 294. P. 123613.
  41. Tang S., Lei B., Feng Z., Guo H., Meng P.Z.G. // Coatings. 2023. V. 13. P. 1120.
  42. Wang P., Cai D. // Int. J. Photoenergy. 2020. V. 2020. P. 1.
  43. Ollik K., Lieder M. // Coatings. 2020. V. 10. P. 883.
  44. Yan Q.L., Gozin M., Zhao F.Q., Cohen A., Pang S.P. // Nanoscale. 2016. V. 8. P. 4799.
  45. Yin S., Lu Z.H., Bai H.R., Liu X.Y., Li H., Hu Y.B. // Polymers. 2022. V. 14. P. 3315.
  46. Li S.N., Niu Z.T., Jiao Y.K., Jin P., Yang D.S., Bai C.F., Liu J., Li G., Luo Y. // RSC Adv. 2022. V. 12. P. 22806.
  47. Lin L.P., Tan M.T.T. // Biosens. Bioelectron. 2023. V. 237. P. 115492.
  48. Ashraf G., Aziz A., Iftikhar T., Zhong Z.-T., Asif M., Chen W. // Biosensors. 2022. V. 12. P. 1183.
  49. Ansari G., Pal A., Srivastava A.K., Verma G. // Opt. Laser Technol. 2023. V. 164. P. 109495.
  50. Soman G., Vandana M., Hegde G. // Sens. Int. 2023. V. 4. P. 100243.
  51. Li B., Wu X., Shi C., Dai Y., Zhang J., Liu W., Wu C., Zhang Y., Huang X., Zeng W. // Surf. Interfaces. 2023. V. 36. P. 102525.
  52. Pareek S., Jain U., Bharadwaj M., Saxena K., Roy S., Chauhan N. // Anal. Biochem. 2023. V. 663. P. 115015.
  53. Shahnaz T., Hayder G., Shah M.A., Ramli M.Z., Ismail N., Hua C.K., Zahari N.M., Mardi N.H., Selamat F.E., Kabilmiharbi N. // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 28. P. 2671.
  54. Fu X., Lin J., Liang Z., Yao R., Wu W., Fang Z., Zou W., Wu Z., Ning H., Peng J. // Surf. Interfaces. 2023. V. 37. P. 102747.
  55. Li J., Gunister E., Barsoum I. // J. Compos. Mater. 2019. V. 53. P. 1.
  56. Lewis J.S., Perrier T., Barani Z., Kargar F., Balandin A.A. // Nanotechnology. 2021. V. 32. P. 142003.
  57. Harito C., Zaidi S.Z.J., Putra B.R., Hardiansyah A., Khalil M., Yuliarto B. // Sci. Eng. Compos. Mater. 2022. P. 49.
  58. Bao T., Wangb Z., Zhao Y., Wangb Y., Yi X. // RSC Adv. 2020. V. 10. P. 26646.
  59. Mohan V., Mariappan V.K, Pazhamalai P., Krishnamoorthy K., Kim S.J. // Carbon. 2023. V. 205. P. 328.
  60. Papageorgiou D.G., Kinloch I.A., Young R.J. // Prog. Mater. Sci. 2017. V. 90. P. 75.
  61. Shen C., Oyadiji S.O. // Mater. Today Phys. 2020. V. 15. P. 100257.
  62. Sun Y.W., Papageorgiou D.G., Humphreys C.J., Dunstan D.J., Puech P. // Appl. Phys. Rev. 2021. V. 8. P. 021310.
  63. Balandin A.A. // Nat. Mater. 2011. V.10. P. 569.
  64. Ma W., Liu Y., Yan S., Miao T., Shi S., Xu Z., Zhang X., Gao C.J.N.R. // Nano Res. 2018. V. 11. P. 741.
  65. Sharma N., Tomar S., Shkir M., Choubey R.K., Singh A. // Mater. Today: Proc. 2021. V. 36. P. 730.
  66. Chen L., Li N., Yu X., Zhang S., Liu C., Song Y., Li Z., Han S., Wang W., Yang P., Hong N., Ali S., Wang Z. // J. Chem. Eng. 2023. V. 462. P. 142139.
  67. Tarhini A., Tehrani-Bagha A.R. // Appl. Compos. Mater. 2023. V. 30. P. 1737.
  68. Jonoush Z.A., Farahani M., Bohlouli M., Niknam Z., Golchin A., Hatamie S., Rezaei-Tavirani M., Omidi M., Zali H. // Mini-Rev. Org. Chem. 2021. V. 18. P. 78.
  69. Jilani A., Othman M.H.D., Ansari M.O., Hussain S.Z., Ismail A.F., Khan I.U. // Environ. Chem. Lett. 2018. V. 16. P. 1301.
  70. Al-Sherbini A.-S., Bakr M., Ghoneim I., Saad M. // J. Adv. Res. 2017. V. 8. P. 209.
  71. Compagnini G., Russo P., Tomarchio F., Puglisi O., D’Urso L., Scalese S. // Nanotechnology. 2012. V. 23. P. 505601.
  72. Diagboya P.N., Olu-Owolabi B.I., Adebowale K.O. // RSC Adv. 2015. V. 5. P. 2536.
  73. Mortazavi B., Hassouna F., Laachachi A., Rajabpour A., Ahzi S., Chapron D., Toniazzo V., Ruch D. // Thermochim. Acta. 2013. V. 552. P. 106.
  74. Fu Y., Liu L., Zhang J., Hiscox W.C. // Polymer. 2014. V. 55. P. 6381.
  75. Fu Y., Liu L., Zhang J. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. P. 14069.
  76. Enikolopian N.S. // Macromol. Chem. Phys. 1984. № 8. Р. 109.
  77. Акопян Е.Л., Кармилов А.Ю., Никольский В.Г., Хачатрян А. М., Ениколопян Н.С. // Докл. АН СССР. 1986. Т. 291. №1. С. 133.
  78. Rogovina S.Z., Gasymov M.M., Lomakin S.M., Kuznetsova O.P., Ermolaev I.M., Shevchenko V.G., Shapagin A.V., Arbuzov A.A., Berlin A.A. // Mech. Compos. Mater. 2023. V. 58. P. 845.
  79. Rogovina S.Z., Lomakin S.M., Usachev S.V., Gasymov M.M., Kuznetsova O.P., Shilkina N., Shapagin A., Prut E., Berlin A. // Polym. Crystallization. 2022. V. 2022. P. 1.
  80. Gasymov M.M., Rogovina S.Z., Kuznetsova O.P., Shevchenko V.G., Berlin A.A. // Polymer Science A. 2023. V. 65. P.550.
  81. Rogovina S.Z., Lomakin S.M., Gasymov M.M., Kuznetsova O.P., Shevchenko V.G., Mel’nikov V.P., Berlin A.A. // Polymer Science D. 2023. V. 16. P. 161.
  82. Rogovina S.Z., Gasymov M.M., Lomakin S.M., Kuznetsova O.P., Shevchenko V.G., Arbuzov A.A., Berlin A.A. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. P. 1376.
  83. Hummers W.S., Offeman R.E. // J. Am. Chem. Soc. 1958. V. 80. P. 1339.
  84. McAllister M.J., Li J.L., Adamson D.H., Schniepp H.C., Abdala A.A., Liu J., Alonso M.H., Milius D.L., Car R., Prud´homme R.K., Aksay I.A. // Chem. Materials. 2007. V. 19. P. 4396.
  85. Sengupta I., Chakraborty S., Talukdar M., Pal S.K., Chakraborty S. // J. Mater. Sci. Res. 2018. V. 33. P. 4113.
  86. Ceniceros-Reyes M.A., Marín-Hernández K.S., Sierra U., Saucedo-Salazar E.M., Mendoza-Resendez R., Luna C., Hernández-Belmares P.J., Rodríguez-Fernández O.S., Fernández-Tavizón S., Hernández-Hernández E., Díaz Barriga-Castro E. // Surf. Interfaces. 2022. V. 35. P. 102448.
  87. Zhu Y., Murali S., Stoller M.D., Velamakanni A., Piner R.D., Ruoff R.S. // Carbon. 2010. V. 48. P. 2118.
  88. Jakhar R., Yap J.E., Joshi R. // Carbon. 2020. V. 170. P. 277.
  89. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. // Science. 2004. V. 306. P. 666.
  90. Alexandre M., Dubois P. // Mater. Sci. Eng. 2000. V. 28. P. 1.
  91. Fornes T.D., Paul D.R. // Polymer. 2003. V. 44. P. 4993.
  92. Goncalves C., Goncalves I.C., Magalhaes F.D., Pinto A.M. // Polymers. 2017. V. 9. P. 269.
  93. Murariu M., Dechief A.L., Bonnaud L., Paint Y., Gallos A., Fontaine G., Bourbigot S., Dubois P. // Polym. Degrad. Stab. 2010. V. 95. P. 889.
  94. Ivanov E., Kotsilkova R., Xia H., Chen Y., Donato R.K., Donato K., Godoy A.P., Di Maio R., Silvestre C., Cimmino S., Angelov V. // Appl. Sci. 2019. V. 9. P. 1209.
  95. Anwer M.A.S., Naguib H.E. // Compos. B. Eng. 2016. V. 91. P. 631.
  96. Jonscher A.K. // Nature. 1977. V. 267. P. 673.
  97. Kim D.W., Lim J.H., Yu J. // Compos. B. Eng. 2019. V. 168. P. 387.
  98. De Sousa D.E.S., Scuracchio C.H., De Barra G.M., De Lucas A.A. // Multifunc. Polym. Comp. 2015. V. 7. P. 245.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Distribution curves of RGO (a) and NPG (c) particles by size and their SEM images (b) and (d), respectively.

Download (460KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of the elastic modulus E (a), ultimate strength sp (b) and elongation at break eр (c) on the RGO content in polylactide–RGO composites obtained by liquid-phase (1) and solid-phase (2) methods.

Download (218KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the elastic modulus E (a), ultimate strength sp (b) and elongation at break eр (c) on the content of NPG in polylactide–NPG composites obtained by liquid-phase (1) and solid-phase (2) methods.

Download (230KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. DSC curves of polylactide–RGO composites obtained in a chloroform solution containing 0.05 (1), 0.1 (2), 0.25 (3), 1.0 wt. % RGO (4) (a), as well as under solid-phase mixing conditions for the initial polylactide (1) and polylactide–RGO composites containing 0.05 (2), 0.15 (3), 0.5 wt. % RGO (4) (b), during primary heating [78].

Download (151KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the degree of crystallinity of polylactide on the content of RGO in compositions obtained in a chloroform solution (1) and under solid-phase mixing conditions (2) [78].

Download (98KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. DSC thermograms of polylactide (1) and its composites containing 1.0 wt.% NPG (2), RGO (3) and 5.0 wt.% NPG (4), RGO (5) during primary (a) and secondary heating (b) [82].

Download (152KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the degree of crystallinity of polylactide in polylactide–NPG compositions on the content of NPG during primary (1) and secondary (2) heating [79].

Download (64KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Thermograms of polylactide (1) and polylactide–NPG composites containing 1.0 (2), 5.0 (3), 10.0 (4), 20.0 wt. % NPG (5) [79].

Download (80KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dependence of conductivity s on frequency at RGO concentrations of 0.25 (1), 1.0 (2), 3.0 (3), 5.0 (4), 10.0 (5), 15.0 wt. % (6) (a) and at low frequencies on the RGO concentration (b) of compositions obtained by the liquid-phase method [78].

Download (179KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Dependence of conductivity (at low frequencies) (1) and permittivity (2) on the filler concentration of NPG compositions obtained by the liquid-phase method [82].

Download (65KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. SEM images of polylactide–RGO composites obtained by the liquid-phase method with a filler content of 0.25 (a) and 10.0 wt.% (b).

Download (295KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. SEM images of polylactide–RGO composites obtained by the solid-phase method, containing 0.25 wt.% RGO.

Download (197KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences