Моделирование деформаций углеродных слоёв при функционализации технического углерода

Схема строения технического углерода
Агрегат Глобула
Углеродный слой (графен) Кристаллит (ОКР)
Рис.1 Схема строения технического углерода

Актуальность
Рис. 2 Параметры микроструктуры технического углерода [1-3]
1.Yehliu, K., Vander Wal R. L., and Boehman, A. L. Carbon 49:4256-4268 (2011).
2. Vander Wal R.L // www.eme.psu.edu/vanderwal-analysesof soot
3.Donnet J.-B., Custodero E., Wang T.K., Hennebert G. Carbon 2002.-vol.40.-PP.-163-167
4. GaddamC. K., Vander Wal R. L., Chen X., Yezerets A., Kamasamudram K. Reconciliation of carbon oxidation rates and activation energies based on changing nanostructure. Carbon 2016 .-vol.89.-PP.-545--556.

Цель работы
создание расчетно-экспериментального метода прогнозирования газопроницаемости резин на основе бутилового каучука , наполненного окисленным техническим углеродом
Задачи исследования
Провести моделирование деформаций единичного графенового слоя от температуры и типа функциональной группы на краевом атоме и изучить их влияние на энергию деформации единичного графенового слоя
Провести окисление образцов технического углерода разными окислителями, оценить их функциональный состав и соотношение между протоногенными группами
Выявить энергию деформации углеродного слоя, схожего с реальным по функциональному составу
Сравнить энергии деформации реальных углеродных слоёв с показателем газопроницаемости резин, наполненных окисленными образцами технического углерода
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ УГЛЕРОДНЫХ СЛОЁВ ПРИ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА

Рис. 3 Влияние заданной температуры на деформацию углеродных слоев
Рис. 4 Зависимость пространственной энергии Еп углеродного слоя С106 от температуры
Оценка зависимости энергии конформации углеродного слоя от температуры
Результаты моделирования единичного графенового слоя

Определение парциальных вкладов функциональных групп на энергию конформации углеродного слоя
Рис.5 Влияние функциональных групп на деформацию и пространственную энергию
углеродного слоя при заданной температуре 420 K.
Результаты моделирования единичного графенового слоя

Экспериментальная проверка взаимосвязи энергии конформации углеродного слоя со свойствами ТУ в резине
Рис. 6 Насыщенность окисленных образцов кислородом

Рис. 7 ИК спектры окисленных образцов: N 326 исходного (1) и окисленных пероксидом водорода (2), озоном (3) и кислородом 1О2(4)
ФГ ЛГ КГ
Инфракрасная спектроскопия окисленных образцов

Табл. 1 Функциональный анализ окисленных образцов
Рис. 8 Функциональный состав окисленных образцов ТУ

Табл. 2 Свойства поверхности окисленных образцов технического углерода
Относительное содержание групп

Кислородсодержащие группы могут образовывать с бутилкаучуком водородные связи, вследствие чего должна снизиться газопроницаемость резин.
Рис. 9 Зависимость газопроницаемости резины на основе бутилового каучука от содержания кислорода в наполнителе – окисленных образцах технического углерода N326
Рис. 10 Предполагаемая схема образования связей между функциональными группами искривлённого углеродного слоя технического углерода и звеньями молекулы бутилкаучука

Результаты эксперимента
Рис. 9 Соответствие между газопроницаемостью резин на основе бутилкаучука * и соотношением функциональных групп в образцах их наполнителей – окисленного ТУ N326.

Рис. 10 Соответствие между скоростью GTR диффузии азота через резину, наполненную окисленными образцами технического углерода, и рассчитанной по функциональному анализу энергии деформации углеродного слоя наполнителя
к

Выводы
Методом моделирования показано, что деформация углеродных слоёв возрастает с ростом температуры и качественным и количественным составом кислородсодержащих групп.
Установлено, что индивидуальный вклад функциональных групп на энергию конформации углеродного слоя неоднороден. По убыванию силы влияния на деформацию слоя группы располагаются в ряд: хинонные >фенольные >лактоновые >карбоксильные.
Выявлена линейная зависимость скорости диффузии азота через резину от энергии конформации углеродного слоя, рассчитанной по функциональному анализу наполнителя. Рекомендовано использование расчетно-экспериментального метода для прогнозирования газопроницаемости резин на основе бутилового каучука, наполненного окисленным техническим углеродом N326.