Влияние малослойного графена на комплекс прочностных и теплофизических свойств полимерных композитов, полученных DLP-методом 3D-печати

Рассмотрена эффективность применения малослойного графена (число слоев не более 5), синтезированного по авторской методике в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из целлюлозы в качестве модифицирующей добавки для повышения комплекса прочностных и теплофизических свойств изделий из фотополимерных смол, полученных методом DLP 3D-печати. Несмотря на высокие характеристики графеновых наноструктур, к которым относится и малослойный графен, данный класс материалов до сих пор не применяется в промышленности из-за невозможности синтеза больших объемов материала высокого качества и с приемлемой себестоимостью. Предложенный метод синтеза позволяет получать большие объемы малослойного графена, не содержащего в своей структуре дефекты Стоуна–Уэйлса. Установлено, что добавление малослойного графена позволяет добиться роста твердости по Бринеллю до 1,8 раз, прочности на изгиб до 1,5 раз и теплопроводности до 2,2 раз по сравнению с исходным полимером при использовании не более 2 масс. % малослойного графена. Дальнейшее увеличение концентрации малослойного графена не привело  к дальнейшему росту свойств конечного композита. Полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности синтезированного малослойного графена в качестве модифицирующей добавки при создании изделий из фотополимерных смол методом DLP 3D-печати.

1. Shahrubudin N, Lee TC, Ramlan R. An overview on 3D printing technology: Technological, materials, and applications. Procedia Manufacturing. 2019;35:1286- 1296. DOI: 10.1016/j.promfg.2019.06.089

2. Zhao Z, Tian X, Song X. Engineering materials with light: recent progress in digital light processing based 3D printing. Journal of Materials Chemistry C. 2020; 8(40):13896-13917. DOI:10.1039/D0TC03548C

3. Ngo TD, Kashani A, Imbalzano G et. al. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering. 2018;143:172-196. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012

4. Balandin AA, Ghosh S, Bao W et. al. Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano Letters. 2008;8(3):902-907. DOI: 10.1021/nl0731872

5. Lee C, Wei X, Kysar JW et. al. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 2008;321(5887):385-388. DOI: 10.1126/science.1157996

6. Zhu Y, Murali S, Cai W et. al. Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications. Advanced Materials. 2010;22(35):3906-3924. DOI: 10.1002/adma.201001068

7. ISO/TS 80004-13:2017(en) Nanotechnologies – Vocabulary – Part 13: Graphene and related twodimensional (2D) materials. Available from: https://www.iso.org/standard/64741.html [Accessed 20 April 2023]

8. Zhang YY, Gu YT. Mechanical properties of graphene: Effects of layer number, temperature and isotope. Computational Materials Science. 2013;71:197- 200. DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.01.032

9. Zheng Y, Huang X, Chen J et. al. A review of conductive carbon materials for 3D printing: Materials, technologies, properties, and applications. Materials. 2021;14(14):3911. DOI: 10.3390/ma14143911

10. Hanon MM, Ghaly A, Zsidai L et. al. Investigations of the mechanical properties of DLP 3D printed graphene/resin composites. Acta Polytechnica Hungarica. 2021;18(8):143-161. DOI: 10.12700/APH.18.8.2021.8.8

11. Joo H, Cho S. Comparative studies on polyurethane composites filled with polyaniline and graphene for DLP-type 3D printing. Polymers. 2020;12(1):67. DOI: 10.3390/polym12010067

12. Vidakis N, Petousis M, Velidakis E et. al. Fused filament fabrication three-dimensional printing MultiFunctional of polylactic acid/carbon black nanocomposites. C. 2021;7(3):52. DOI: 10.3390/c7030052

13. Zheng Y, Huang X, Chen J et. al. A review of conductive carbon materials for 3D printing: Materials, technologies, properties, and applications. Materials. 2021;14(14):3911. DOI: 10.3390/ma14143911

14. Przekop RE, Kujawa M., Pawlak W et. al. Graphite modified polylactide (PLA) for 3D printed (FDM/FFF) sliding elements. Polymers. 2020;12(6):1250. DOI: 10.3390/polym12061250

15. Ram R, Soni V, Khastgir D. Electrical and thermal conductivity of polyvinylidene fluoride (PVDF) – Conducting Carbon Black (CCB) composites: Validation of various theoretical models. Composites Part B: Engineering. 2020;185:107748. DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.107748

16. Bhatt MD, Kim H, Kim G. Various defects in graphene: a review. RSC Advances. 2022;12(33):21520- 21547. DOI: 10.1039/D2RA01436J

17. Haghighi M, Khodadadi A, Golestanian H et. al. Effects of defects and functional groups on graphene and nanotube thermoset epoxy-based nanocomposites mechanical properties using molecular dynamics simulation. Polymers and Polymer Composites. 2021;29(6):629-639. DOI: 10.1177/0967391120929075

18. Voznyakovskii AA, Vozniakovskii AP, Kidalov SV. New way of synthesis of few-layer graphene nanosheets by the self propagating high-temperature synthesis method from biopolymers. Nanomaterials. 2022;12(4):657. DOI: 10.3390/nano12040657

19. Voznyakovskii AA, Vozniakovskii AP, Kidalov S.V. Phenomenological model of synthesis of few-layer graphene (FLG) by the selfpropagating high-temperature synthesis (SHS) method from biopolymers. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2022;30(1):59-65. DOI: 10.1080/1536383X.2021.1993831

20. Voznyakovskii AP, Neverovskaya A, Vozniakovskii A et. al. A Quantitative chemical method for determining the surface concentration of stone-wales defects for 1D and 2D carbon nanomaterials. Nanomaterials. 2022;12(5):883. DOI: 10.3390/nano12050883

21. Vozniakovskii AA, Vozniakovskii AP, Kidalov SV et. al. Characteristics and mechanical properties of composites based on nitrile butadiene rubber using graphene nanoplatelets. Journal of Composite Materials. 2020;54(23):3351-3364. DOI: 10.1177/0021998320914366

22. Muzyka R, Drewniak S, Pustelny T et. al. Characterization of graphite oxide and reduced graphene oxide obtained from different graphite precursors and oxidized by different methods using Raman spectroscopy. Materials. 2018;11(7):1050. DOI: 10.3390/ma11071050

23. Kaniyoor A, Ramaprabhu S. A Raman spectroscopic investigation of graphite oxide derived graphene. AIP Advances. 2012;2(3):032183. DOI: 10.1063/1.4756995

24. Silva DL, Campos, JLE, Fernandes TF et. al. Raman spectroscopy analysis of number of layers in massproduced graphene flakes. Carbon. 2020;161:181-189. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.01.050

25. Kumar V, Kumar A, Lee DJ et. al. Estimation of number of graphene layers using different methods: a focused review. Materials. 2021;14(16):4590. DOI: 10.3390/ma14164590

26. Li QY, Xia K, Zhang J et. al. Measurement of specific heat and thermal conductivity of supported and suspended graphene by a comprehensive Raman optothermal method. Nanoscale. 2017;9(30):10784-10793. DOI: 10.1039/C7NR01695F

27. Kumar A, Sharma K, Dixit AR. A review on the mechanical properties of polymer composites reinforced by carbon nanotubes and graphene. Carbon Letters. 2021;31(2):149-165. DOI: 10.1007/s42823-020-00161-x

28. Sun X, Huang C, Wang L et. al. Recent progress in graphene/polymer nanocomposites. Advanced Materials. 2021;33(6):2001105. DOI: 10.1002/adma.202001105