Углеродные нанотрубки известны уникальными механическими, электрическими и термическими свойствами. Полимеры, которые содержат даже незначительное количество (менее 1%) нанотрубок, имеют механическую прочность и теплопроводность на уровне металлов. Однако включить нанотрубки в полимер непросто: их поверхность инертна к химическим воздействиям, а кроме того, они склонны к агломерации. Это значит, что частицы углеродных нанотрубок под влиянием слабых взаимодействий постоянно образуют более крупные частицы, чем нарушают однородность и целостность материала.

Решить сложную задачу введения углеродных нанотрубок в полимерные материалы можно путем физико-химического модифицирования. Эффективность различных методов обработки нанотрубок оценили в серии экспериментов ученые Ульяновского государственного технического университета, Института физики и химии Мордовского государственного университета, Ульяновского государственного университета. Работа опубликована в 2015 году в Russian Journal of Applied Chemistry.

Изначально многостенные углеродные нанотрубки имеют диаметр 20‒160 нанометров и длину до 3‒5 см. Нанотрубки соединяются между собой в плотные жгуты. Для включения в матрицу полимерного материала жгуты должны быть расщеплены, а нанотрубки должны быть раздроблены на более короткие фрагменты до нескольких десятков микрометров. Для этого проводилась ультразвуковая обработка нанотрубок.

Чтобы сделать поверхность нанотрубок химически активной и совместимой с матрицей полимерного материала, применялись несколько методов. Исследователи сравнили свойства нанотрубок, подвергнутых после ультразвуковой обработки термическому воздействию (отжигу); обработанных термически и с помощью соляной кислоты; обработанных смесью серной и азотной кислоты; обработанных всеми тремя кислотами после отжига. Каждый из этих методов физико-химического модифицирования позволяет изменить свойства боковой поверхности нанотрубок.

Размеры наночастиц при отжиге и обработке кислотами уменьшаются, при этом нанотрубки сохраняют склонность к агломерации. Под действием сильных кислот и при дальнейшем окислении на поверхности образуются карбоксильные группы –СООН, необходимые для образования прочных ковалентных связей нанотрубок с полимерной матрицей.

Исследователи провели испытания композитов, в которые были введены нанотрубки, обработанные различными методами. Наибольший эффект достигнут при использовании углеродных нанотрубок, функционализированных смесью серной и азотной кислот. При содержании в композите 0,37% нанотрубок его предел прочности повысился в 1,7 раза по сравнению с исходным полимером.