Исследование электропроводности расплавов полимерных композитов

Внедрение: 2021 г.

В работе [1] представлены результаты исследования влияния увеличения электропроводности расплавов полимерных композиционных материалов во времени. Получены зависимости проводимости от времени для композитов на основе полипропилена, наполненных углеродными наночастицами разных типов. Зависимости были проанализированы, с целью продемонстрировать возможность корреляции кинетики проводимости с различными параметрами композита, такими как геометрия наполнителя. Были проведены дополнительные исследования, в том числе электронно-микроскопическое исследование (рисунок 1), измерения проводимости после последовательного удаления поверхностного слоя и измерения проводимости расплава композита.

Рисунок 1. Результаты сканирующей электронной микроскопии низкотемпературных сколов композитов на основе полипропилена (ПП), наполненных углеродными наночастицами с определенным массовым содержанием: (а) – 15 мас.% черного карбона (CB); (b) –10 мас.% графеновых нанопластинок (GnPs); (c) – 7,5 мас.% многослойных углеродных нанотрубок (MWCNTs); (d) – 0,5 мас.% однослойных углеродных нанотрубок (SWCNTs).

Электропроводность отформованных и охлажденных твердых композитных образцов при постоянном токе измеряли четырехзондовым методом сопротивления с помощью мультиметра 34401A (Agilent, Санта-Клара, Калифорния, США).

Для проведения кинетических измерений электросопротивления композитных расплавов гранулы полученного композита различного состава помещали между двумя плоскими электродами в нагретой форме внутри круглого отверстия прокладки из политетрафторэтилена (PTFE), рисунок 2. Значения температуры 205 °С и давления 5 МПа поддерживались на протяжении всего эксперимента. Между электродами подавалось постоянное электрическое напряжение в течение всего времени эксперимента. Напряжение подавалось от высокостабильного источника питания АКИП 1147/1 (Прист). Стандартное заданное значение электрического напряжения составляло 2 В. Для измерения тока использовались пикоамперметры 6485/E (Кейтли) и А2‑4 (МНИПИ). В ходе эксперимента значения электрического тока между электродами непрерывно регистрировались с помощью многоканального АЦП E14‑440.

Рисунок 2. Экспериментальная двухэлектродная схема измерения электрического сопротивления композитного расплава: вид сбоку (слева); вид сверху (справа).

Результаты измерений электропроводности композитов на основе ПП для диапазона концентраций наноразмерных наполнителей различных типов представлены на рисунке 3. 

Рисунок 3. Зависимости электропроводности композитов на основе полипропилена от содержания в композите различных наполнителей (CB, GnPs, MWCNTs, SWCNTs).

Результаты показали, что повышенная электропроводность композиционных материалов может быть связана с образованием обогащенного частицами наполнителя поверхностного слоя, которое происходит при нахождении композита в расплавленном состоянии. Анализ экспериментальных данных, а также результаты численного моделирования позволили предложить возможную схему преобразования распределения наполнителя. Обсуждаются физические предпосылки исследуемого эффекта.

Источник:
Lebedev, O.V.; Goncharuk, G.P.; Ozerin, A.N. Changes in Electrical Conductance of Polymer Composites Melts Due to Carbon Nanofiller Particles Migration. Polymers 2021, 13, 1030. https://doi.org/10.3390/polym13071030.

Разработчик: ИСПМ РАН, г. Москва; МФТИ, г. Долгопрудный