Влияние концентрации и соотношения компонентов гибридного нанонаполнителя на электропроводность модифицированных битумных вяжущих

В состав современных битумных вяжущих вводят модифицирующие добавки для удовлетворения высоких современных требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам дорожных покрытий. Использование углеродных наноматериалов в качестве модификаторов придает битумным вяжущим антистатические свойства и открывает возможность применения инновационного подхода по залечиванию трещин в асфальтовом покрытии под действием сверхвысокочастотного микроволнового излучения с его последующей регенерацией. Серии образцов нанокомпозиционных материалов на основе битума марки «БНД 60/90» и гибридного наполнителя, содержащего графеновые нанопластинки (ГНП) и многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ), были изготовлены посредством простой методики смешения. Использование гибрида с отношением МУНТ к ГНП равным 4 : 0.1 позволило достичь максимальной электропроводности битумных нанокомпозиций, значение которой составляло 4,82⋅10–3 См/см при концентрации наполнителя 8 масс. %. Экспериментально найдено оптимальное соотношение компонент МУНТ к ГНП равное 4 : 1, при котором порог перколяции снижался на 50 и 100 % по сравнению с нанокомпозитами, имеющими отношение МУНТ к ГНП равное 4 : 0.1 и 1 : 1 соответственно. Предложен механизм образования двойного перколяционного контура в нанокомпозиционной системе на основе битума, содержащей ГНП и МУНТ в соотношении 4 : 1.

1. Tarov DV, Evlakhin DA, Zelenin AD, Stolyarov RA, Yagubov VS, Memetov NR, Memetova AE, Chapaksov NA, Gerasimova AV. Electrically conductive nanocomposite bituminous binders containing carbon nanotubes and multilayer graphene. Frontier Materials & Technologies. 2023;(2):131-139. DOI:10.18323/2782-4039-2023-2-64-5. (In Russ.)

2. Gulisano F, Gallego J. Microwave heating of asphalt paving materials: Principles, current status and next steps. Construction and Building Materials. 2021;278: 121993. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2020.121993

3. Yue L, Pircheraghi G, Monemian SA, Manas-Zloczower I. Epoxy composites with carbon nanotubes and graphene nanoplatelets–Dispersion and synergy effects. Carbon. 2014;78:268-278. DOI:10.1016/j.carbon.2014.07.003

4. Liu H, Gao J, Huang W, Dai K, Zheng G, Liu C, Shen C, Yan X, Guo J, Guo Z. Electrically conductive strain sensing polyurethane nanocomposites with synergistic carbon nanotubes and graphene bifillers. Nanoscale. 2016;8(26):12977-12989. DOI:10.1039/c6nr02216b

5. Dichiara A, Yuan JK, Yao SH, Sylvestre A, Bai J. Chemical vapor deposition synthesis of carbon nanotubegraphene nanosheet hybrids and their application in polymer composites. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2012;12(9):6935-6940. DOI:10.1166/jnn.2012.6573

6. Chen W, Duan W, Liu Y, Wang Q, Qi F. Facile fabrication of multifunctional polymer composites based on three-dimensional interconnected networks of graphene and carbon nanotubes. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019;58(47):21531-21541. DOI:10.1021/acs.iecr.9b04854

7. Bagotia N, Choudhary V, Sharma DK. Synergistic effect of graphene/multiwalled carbon nanotube hybrid fillers on mechanical, electrical and EMI shielding properties of polycarbonate/ethylene methyl acrylate nanocomposites. Composites Part B: Engineering. 2019; 159:378-388. DOI:10.1016/j.compositesb.2018.10.009

8. Safdari M, Al-Haik MS. Synergistic electrical and thermal transport properties of hybrid polymeric nanocomposites based on carbon nanotubes and graphite nanoplatelets. Carbon. 2013;64:111-121. DOI:10.1016/j.carbon.2013.07.042

9. Badakhsh A, Rhee KY, Park CW, An K-H, Kim B-J. Improvement of thermal, electrical and mechanical properties of composites using a synergistic network of length controlled-CNTs and graphene nanoplatelets. Composites Part B: Engineering. 2019; 175:107075. DOI:10.1016/j.compositesb.2019.107075

10. Liu P, Li Y, Wu C, Liu C, Ma Y, Zhang Y, Xing K, Liu G, Wang J, Huang Y, Song A, Li M, Yang X. Theoretical estimation on electrical conductivity, synergy effect and piezoresistive behavior for nanocomposites with hybrid carbon nanotube/graphene based on modified Bethe lattice method. Computational Materials Science. 2022;202:110986. DOI:10.1016/j.commatsci.2021.110986

11. Stolyarov RA, Yagubov VS, Memetova AE, Memetov NR, Tkachev AG, Chapaksov NA. Electrically conductive nanocomposites based on chloroprene rubber containing multi-walled carbon nanotubes "Taunit" and "Taunit-M". Materialovedenie = Inorganic Materials: Applied Research. 2022;5:41-48. DOI:10.31044/1684-579X-2022-0-5-41-48 (In Russ.)

12. Blokhin A, Stolyarov R, Burmistrov I, Gorshkov N, Kolesnikov E, Yagubov V, Tkachev A, Zaytsev I, Tarov D, Galunin E, Offor P, Kiselev N. Increasing electrical conductivity of PMMA-MWCNT composites by gas phase iodination. Composites Science and Technology. 2021; 214:108972. DOI:10.1016/j.compscitech.2021.108972

13. Chapaksov NA, Dyachkova TP, Stolyarov RA, Yagubov VS, Tkachev AG, Memetova AE, Memetov NR, Pasko TV, Burmistrov IN. Electrical conductivity of composites based on ultra-high molecular weight polyethylene modified with a mixture of graphene nanoplatesand iodized carbon nanotubes. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2022;7:246-255. DOI:10.17277/jamt.2022.04.pp.246-255

14. LLC Nanotechcenter. Grafen (Taunit GM). Available from: http://www.nanotc.ru/producrions/176-cnm-taunit-5 [Accessed 17 May 2023].

15. LLC Nanotechcenter. UNT serii “Taunit”. Available from: http://www.nanotc.ru/producrions/87-cnm-taunit [Accessed 17 May 2023].

16. Perets Y, Aleksandrovych L, Melnychenko M, Lazarenko O, Vovchenko L, Matzui L. The electrical properties of hybrid composites based on multiwall carbon nanotubes with graphite nanoplatelets. Nanoscale Research Letters. 2017;12:1-10. DOI:10.1186/s11671-017-2168-8

17. Feng X, Liao G, He W, Sun Q, Jian X, Du J. Preparation and characterization of functionalized carbon nanotubes/poly (phthalazinone ether sulfone ketone)scomposites. Polymer Composites. 2009;30(4):365-373. DOI:10.1002/pc.20561

18. Salah L, Ouslimani N, Chouai M, Danlée Y, Huynen I, Aksas H. Predictive optimization of electrical conductivity of polycarbonate composites at different concentrations of carbon nanotubes: A valorization of conductive nanocomposite theoretical models. Materials. 2021;14(7):1687. DOI:10.3390/ma14071687

19. Presti DL. Recycled tyre rubber modified bitumens for road asphalt mixtures: A literature review. Construction and Building Materials. 2013;49:863-881. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2013.09.007

20. Caputo P, Porto M, Angelico R, Loise V, Calandra P, Rossi CO. Bitumen and asphalt concrete modified by nanometer-sized particles: Basic concepts, the state of the art and future perspectives of the nanoscale approach. Advances in Colloid and Interface Science. 2020;285:102283. DOI:10.1016/j.cis.2020.102283

21. Xu X, Sreeram A, Leng Z, Yu J, Li R, Peng C. Challenges and opportunities in the high-quality rejuvenation of unmodified and SBS modified asphalt mixtures: State of the art. Journal of Cleaner Production. 2022;378:134634. DOI:10.1016/j.jclepro.2022.134634

22. Almusawi A, Shoman S, Lupanov AP. Assessment of the effectiveness and the initial cost efficiency of hot recycled asphalt using polymer modified bitumen. Case Studies in Construction Materials. 2023;18:e02145. DOI:10.1016/j.cscm.2023.e02145