Изучение взаимодействия олигомерных цепей полиакрилонитрила с углеродными наполнителями
П.В. Комаров, М.Д. Малышев, П.О. Бабуркин
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.481
Оригинальная статья
Аннотация: В рамках полноатомного молекулярно-механического моделирования с использованием двух валентно-силовых полей: полимерного согласованного силового поля и открытой части оптимизированных молекулярных потенциалов конденсированной фазы для атомистического моделирования исследована зависимость энергии адгезии олигомерных цепей полиакрилонитрила к поверхности углеродных наночастиц, таких как нанотрубки и графен. В качестве основных параметров для расчетов выбраны: длина олигомерной цепи полиакрилонитрила, количество слоев в наночастице графена, диаметр углеродной нанотрубки, а также тип и плотность молекул модификатора на поверхности графена. Графен рассматривался как предельный случай – углеродной нанотрубки большого диаметра. В качестве модификаторов поверхности выбраны N-(2-аминоэтил)карбамоил, нитроциклогексан, бензамид и динитробифенил. Показано, что с увеличением числа слоев и диаметра углеродной нанотрубки энергия адгезии полиакрилонитрила возрастает, что позволяет рассматривать многослойные углеродные нанотрубки больших диаметров в качестве предпочтительного наполнителя для полиакрилонитрила. Полученные результаты также показывают, что поверхностный модификатор может увеличить энергию адгезии полиакрилонитрила в случае малых значений плотности прививки модификатора.
Ключевые слова: полиакрилонитрил, углеродные волокна, углеродные нанотрубки, графен, компьютерное моделирование
- Комаров П Вячеславович – д.ф.-м.н., доцент, кафедры общей физики, ведущий научный сотрудник управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Малышев Максим Дмитриевич – к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры физической химии, научный сотрудник управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Бабуркин Павел Олегович – к.ф.-м.н., научный сотрудник управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка на статью:
Комаров, П.В. Изучение взаимодействия олигомерных цепей полиакрилонитрила с углеродными наполнителями / П.В. Комаров, М.Д. Малышев, П.О. Бабуркин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 481-492. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.481.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Huang, X. Fabrication and properties of carbon fibers / X. Huang // Materials. – 2009. – V. 2. – I. 4. – P. 2369-2403. DOI: 10.3390/ma2042369.
2. Minus, M.L. The processing, properties, and structure of carbon fibers / M.L. Minus, S. Kumar // The Journal of The Minerals, Metals and Materials Society. – 2005. – V. 57. – I. 2. – P. 52-58. DOI: 10.1007/s11837-005-0217-8.
3. Park, S.-J. Carbon fibers / S.-J. Park. – 2nd ed. – Singapore: Springer, 2018. – 358 p.
4. Nataraj, S.K. Polyacrylonitrile-based nanofibers – A state-of-the-art-review / S.K. Nataraj, K.S. Yang, T.M. Aminabhavi // Progress in Polymer Science. – 2012. – V. 37. – I. 3. – P. 487-513. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2011.07.001.
5. Gupta, A.K. Acrylic precursors for carbon fibers / A.K. Gupta, D.K. Paliwal, P. Bajaj // Polymer Reviews. – 1991. – V. 31. – I. 1. – P. 1-89. DOI: 10.1080/15321799108021557.
6. Chang, H. Structural and functional fibers / H. Chang, J. Luo, P.V. Gulgunje, S. Kumar // Annual Review of Materials Research. – 2017. – V. 47. – P. 331-359. DOI: 10.1146/annurev-matsci-120116-114326.
7. Newcomb, B.A. Processing, structure and properties of carbon fibers / B.A. Newcomb // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2016. – V. 91. – I. 1. – P. 262-282. DOI: 10.1016/j.compositesa.2016.10.018.
8. Chae, H.G. A comparison of reinforcement efficiency of various types of carbon nanotubes in polyacrylonitrile fiber / H.G. Chae, T.V. Sreekumar, T. Uchida, S.A. Kumar // Polymer. – 2005. – V. 46. – I. 24. – P. 10925-10935. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.08.092.
9. Jain, R. Processing, structure, and properties of PAN/MWNT composite fibers / R. Jain, M.L. Minus, H.G. Chae, S. Kumar // Macromolecular Materials and Engineering. – 2010. – V. 295. – I. 8. – P. 742-749. DOI: 10.1002/mame.201000083.
10. George, E. Acrylonitrile-based polymer/graphene nanocomposites: A review / E. George, J. Joy, S. Anas // Polymer Composites. – 2021. – V. 42. – I. 10. – Art. № 4961. – 20 p. DOI: 10.1002/pc.26224.
11. Eom, W. Microstructure-controlled polyacrylonitrile/graphene fibers over 1 gigapascal strength / W. Eom, S.H. Lee, H. Shin et al. // ACS Nano. – 2021. – V. 15. – I. 8. – P. 13055-13064. DOI: 10.1021/acsnano.1c02155.
12. Chae, H.G. Stabilization and carbonization of gel spun polyacrylonitrile/single wall carbon nanotube composite fibers / H.G. Chae, M.L. Minus, A. Rasheed, S. Kumar // Polymer. – 2007. – V. 48. – I. 13. – P. 3781-3789. DOI: 10.1016/j.polymer.2007.04.072.
13. Andrews, R. Nanotube composite carbon fibers / R. Andrews, D. Jacques, A.M. Rao et al. // Applied Physics Letters. – 1999. – V. 75. – I. 9. – P. 1329-1331. DOI: 10.1063/1.124683.
14. Newcomb, B.A. High resolution transmission electron microscope study on polyacrylonitrile / carbon nanotube based carbon fibers and the effect of structure development on the thermal and electrical conductivities / B.A. Newcomb, L.A. Giannuzzi, K.M. Lyons et al. // Carbon. – 2015. – V. 93. – P. 502-514. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.05.037.
15. Prilutsky, S. Carbonization of electrospun poly(acrylonitrile) nanofibers containing multiwalled carbon nanotubes observed by transmission electron microscope with in situ heating / S. Prilutsky, E. Zussman, Y. Cohen // Journal Polymer Science Part B: Polymer Physics. – 2010. – V. 48. – I. 20. – P. 2121-2128. DOI:10.1002/polb.22092.
16. Ye, H. Reinforcement and rupture behavior of carbon nanotubes–polymer nanofibers / H. Ye, H. Lam, N. Titchenal et al. // Applied Physics Letters. – 2004. – V. 85. – I. 10. – P. 1775-1777. DOI: 10.1063/1.1787892.
17. Wu, Q.-Y. Interactions between polyacrylonitrile and solvents: density functional theory study and two-dimensional infrared correlation analysis / Q.-Y. Wu, X.-N. Chen, L.-S. Wan, Z.-K. Xu // The Journal of Physical Chemistry B. – 2012. – V. 116. – I. 28. – P. 8321-8330. DOI: 10.1021/jp304167f.
18. Pires, J.M. Molecular dynamic simulations of polyacrylonitrile in ethanol and water solvents / J.M. Pires, O.V. de Oliveira, L.C.G. Freitas et al. // Computational and Theoretical Chemistry. – 2012. – V. 995. – I. 2. – P. 75-78. DOI: 10.1016/j.comptc.2012.06.032.
19. Pramanik, C. Polyacrylonitrile interactions with carbon nanotubes in solution: conformations and binding as a function of solvent, temperature, and concentration / C. Pramanik, T. Jamil, J.R. Gissinger et al. // Advanced Functional Materials. – 2019. – V. 29. – I. 50. – Art. № 1905247. – 12 p. DOI: 10.1002/adfm.201905247.
20. Meng, J. Nanotube dispersion and polymer conformational confinement in a nanocomposite fiber: a joint computational experimental study / J. Meng, Y. Zhang, S.W. Cranford, M.L. Minus // The Journal of Physical Chemistry B. – 2014. – V. 118. – I. 31. – P. 9476-9485. DOI: 10.1021/jp504726w.
21. Saha, B. Multi-step mechanism of carbonization in templated polyacrylonitrile derived fibers: ReaxFF model uncovers origins of graphite alignment / B. Saha, O. Furmanchuk, Y. Dzenis, G.C. Schatz // Carbon. – 2015. – V. 94. – P. 694-704. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.07.048.
22. Lee, J. Origin and control of polyacrylonitrile alignments on carbon nanotubes and graphene nanoribbons / J. Lee, J.I. Choi, A.E. Cho et al. // Advanced and Functional Materials. – 2018. – V. 28. – I. 15. – Art. № 1706970. – 7 p. DOI: 10.1002/adfm.201706970.
23. Heo, S.J. Defect structure evolution of polyacrylonitrile and single wall carbon nanotube nanocomposites: a molecular dynamics simulation approach / S.J. Heo, K.H. Kim, B. Han, et al. // Scientific Reports. – 2020. – V. 10. – I. 1. – Art. № 11816. – 10 p. DOI: 10.1038/s41598-020-68812-7.
24. Khalatur, P.G. Molecular dynamics simulations in polymer science: methods and main results / P.G. Khalatur // Polymer Science: A Comprehensive Reference. – 2012. – V. 1. – P. 417-460. DOI: 10.1016/b978-0-444-53349-4.00016-9.
25. Akhukov, M.A. MULTICOMP package for multilevel simulation of polymer nanocomposites / M.A. Akhukov, V.A. Chorkov, A.A. Gavrilov et al. // Computational Materials Science. – 2023. – V. 216. – Art. № 111832. – 16 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2022.111832.
26. LAMMPS molecular dynamics simulator. – Access mode: www.url: https://lammps.sandia.gov. – 17.08.2024.
27. Sun, H. Ab initio calculations and force field development for computer simulation of polysilanes / H. Sun // Macromolecules. – 1995. – V. 28. – I. 3. – P. 701-712. DOI: 10.1021/MA00107A006.
28. Sun, H. COMPASS: An ab initio force-field optimized for condensed-phase applications - overview with details on alkane and benzene compounds / H. Sun // The Journal of Physical Chemistry B. – 1998. – V. 102. – I. 38. – P. 7338-7364. DOI: 10.1021/jp980939v.
29. Guenole, J. Assessment and optimization of the fast inertial relaxation engine (FIRE) for energy minimization in atomistic simulations and its implementation in LAMMPS / J. Guenole, W.G. Nöhring, A. Vaid et al. // Computational Materials Science. – 2020. – V. 175. – Art. № 109584. – 10 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.109584.
30. Voevodin, V.V. Supercomputer lomonosov-2: large scale, deep monitoring and fine analytics for the user community / V.V. Voevodin, A.S. Antonov, D.A. Nikitenko et al. // Supercomputing Frontiers and Innovations. – 2019. –- V. 6. – I. 2. – P. 4-11. DOI: 10.14529/jsfi190201.