Включение одностенных углеродных нанотрубок, модифицированных циклическим соединением с двумя аминными группами, существенно повысило механические характеристики пластика. Полученный таким образом материал способен выдерживать процесс переработки до четырех раз без потери своих свойств.
Различают два вида пластмасс: термопласты, способные плавиться и принимать нужную форму, и термореактивные пластмассы, которые не поддаются нагреву из-за прочных химических связей, удерживающих полимерные цепи. Термореактивные пластмассы обладают высокой устойчивостью к ударам и механическим воздействиям, однако их недостаток – склонность к хрупкости. Для повышения прочности часто применяют углеродные волокна. Это позволяет изготавливать крепкие, но не подлежащие переработке шлемы и спортивный инвентарь.
Научная группа во главе с Эмилио Пересом ( Emilio Pérez) исследователи изучают методы повышения механических характеристик пластика, пригодного для переработки. Особый интерес представляет «ковалентная адаптируемая сеть» — материал, обладающий структурой, схожей с термореактивными пластиками, но способный при определенных условиях, например, под воздействием воды или температуры, разрушать связи между полимерными цепями.
Ученые недавно впервые применили модифицированные углеродные нанотрубки, в которых механически связаны кольцевые молекулы, для повышения прочности пластика, MINT (механически сцепленные углеродные нанотрубки) . Кольцевую молекулу формируют, формируя U-образную структуру, опоясывающую нанотрубку в ходе синтеза.
Несмотря на отсутствие химического взаимодействия, кольцо способно свободно перемещаться внутри нанотрубки. Данная модификация существенно повысила механические характеристики материала. Результаты исследования были представлены учеными в журнале Advanced Functional Materials.
К нанотрубке присоединяются кольцевые органические молекулы, что обеспечивает создание прочной и гибкой связи. Эти молекулы синтезируются в результате отдельного семиступенчатого процесса. Механическое соединение колец позволяет им перемещаться по нанотрубке с определенной степенью свободы. Для образования ковалентных связей с полимером на стороне кольца. Свойства чистых нанотрубок могут значительно ухудшиться от образования ковалентной связи с полимерами.
Ученым удалось обеспечить полную передачу напряжений от полимера к нанотрубкам. Их модуль Юнга, характеризующий способность материала противостоять растяжению и сжатию, достигает одного терапаскаля, что в пять раз превышает показатель стали, при этом нанотрубки обладают значительно меньшей массой.
Включение всего 1% нанотрубок по массе приводит к увеличению модуля Юнга материала на 77%, а его прочность на разрыв возрастает на 100%. При этом, такие свойства сохраняются даже после четырех циклов переплавки и повторной обработки композита.
Увеличение концентрации нанотрубок не приводит к улучшению характеристик материала; ключевую роль играют ковалентные связи между нанотрубками и полимерной матрицей. Наличие кольцевых молекул на поверхности нанотрубок также не способствует их слипаться в крупные агломераты.
Разработка пластмасс, обладающих прочностью, сопоставимой с углеродным волокном, и при этом пригодных для повторной переработки, является ключевым этапом на пути к созданию более экологичных и долговечных пластмассовых изделий. Это, в частности, позволит снизить расход топлива за счет производства более легких транспортных средств, таких как автомобили и самолеты.