Сравнение электропроводности токопроводящих полимерных композиций, наполненных техническим углеродом и углеродными волокнами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Башкирский государственный университет

Сравнение электропроводности токопроводящих полимерных композиций, наполненных техническим углеродом и углеродными волокнами

Абдуллин Марат Ибрагимович, профессор кафедры технической химии и материаловедения,

Басыров Азамат Айратович, аспирант,

Гадеев Азат Салаватович, Колтаев Николай Владимирович, бакалавры,

Кокшарова Юлия Александровна, Николаев Сергей Николаевич, магистры

Аннотация

Изучена зависимость электропроводности полимеров, наполненных углеродными волокнами марки УВИС АК-П, ТУ марки Printex XE-2B и ТУ марки П805Э, от концентрации наполнителя. Рассмотрена электропроводность композиции стирол-бутадиен-стирола с содержанием PrintexXE-2B при введении в композицию масла ПН-6.

В современной технике существуют задачи, например, низкотемпературный нагрев, экранирование датчиков и конструкций радиоэлектронной аппаратуры, измерение статистического давления и так далее, оптимальным решением для которых является применение электропроводящих полимерных композиционных материалов (ПКМ). В качестве матрицы в ПКМ используется полимер, а наполнителем является токопроводящий порошок.

Проводимость наполненной композиционной структуры зависит от количества контактов, приходящихся на одну частицу. Для увеличения проводимости достаточно наличия двух таких непосредственных контактов [1]. Последующее увеличение их количества заметных изменений не показывает.

Электропроводность полимеров также зависит от наличия примесей. К примеру, высокое содержание электропроводных наполнителей позволяет значительно увеличить электропроводность полимерного материала. Широко используют в качестве наполнителей технический углерод и графит, в виде порошков, волокон и тканей. В отличие от металлических наполнителей углеродные лишены оксидной пленки, что благоприятно сказывается на стабильности и повторяемости электрофизических параметров ПКМ [5]. Основным недостатком углеродных наполнителей является высокое, по сравнению с металлами, удельное объемное сопротивление [7], поэтому наибольшим интересом для практического применения пользуются материалы, в которых концентрация наполнителя близка к критической, что позволяет снизить отмеченную характеристику.

Целью данной работы являлось получение токопроводящих композиций на основе полиэтилена, полипропилена, СБС за счет введения в их состав технического углерода и углеродных волокон.

Экспериментальная часть

электропроводность полимер углерод наполнитель

Исходные вещества: полипропилен марки 01270(ПП 01270); полиэтилен марки 2287(ПЭ 2287); стирол бутадиеновый сополимер марки LG-501; технический углерод марки П805Э; технический углерод марки Printex 2EB; технический углерод марки УВИС АК-П

Оборудование: экструдер (характеристики шнека L/D=15, глубина гребня 16.5мм, ширина витка 20мм); кондуктометр (диапазон измерений 1 Ом - 2мОм, относительная погрешность 0,5%); штангенциркуль, измерительная линейка, электроды.

Состав аналитических образцов:

- полиэтилен марки2287 с техническим углеродом (ТУ) марки П805Э со степенью наполнения 40-70%;

- полипропилен марки 01270 с ТУ марки УВИС АК-П со степенью наполнения 10-70%

- полиэтилен марки2287 с ТУ маркиPrintexXE-2B со степенью наполнения 5-20%;

- полипропилен марки 01270 с ТУ марки PrintexXE-2B со степенью наполнения 5-20%;

- стирол бутадиеновый сополимер марки LG-501 с ТУ марки PrintexXE-2B со степенью наполнения 10-25%.

Обсуждение результатов

Для направленного регулирования электропроводности полимеров используют введение в их состав таких электропроводящих наполнителей, как технический углерод и углеродные волокна.

При введении в состав полимерной композиции технического углерода на кривой зависимости «Проводимость угленаполненных композиций - Содержание наполнителя» (рис. 1) можно выделить три участка:

A - начальный (пологий) участок, характеризующийся низкими значениями электропроводности.

B - участок, характеризующийся резким увеличением проводимости.

С - пологий участок, соответствующий незначительному увеличению проводимости.

Рис. 1. Зависимость электропроводности наполненных полимерных композиций от природы наполнителя и содержания наполнителя: 1. ПЭ2287- ТУ Printex XE-2B; 1. ПП 01030- ТУ Printex XE-2B; 2. СБС LG - ТУ Printex XE-2B; 3. ПП 01030 - УВИС АК-П; 4. ПЭ 2287- ТУ П805Э

Природа полимерной матрицы в случае полиэтилена и полипропилена не влияет на электропроводность композиций, наполненных ТУ. Так, при введении в полимерные композиты на основе полиэтилена и полипропилена технического углерода марки «PrintexXE-2B» наблюдаются достаточно близкие значения электропроводности при одинаковом содержании технического углерода (рис. 1).

При использовании в качестве электропроводящего наполнителя технического углерода марки П805Э увеличение электропроводности наблюдается при содержании ТУ выше 50% (рис.1). Заметно выраженная разница в электропроводности рассматриваемых композитов, возможно, объясняется спектром размеров и форм частиц технического углерода, вводимого в полимерную матрицу. Так, средний диаметр частиц в ТУ марки П805Э составляет 8,7 мкм, тогда как в ТУ марки Printex XE-2B он существенно меньше - 18,2 нм.

Электропроводящие марки технического углерода можно охарактеризовать также и поглощением жидкого дибутилфталата (ДБФ). Из литературных источников [8] установлено, что технический углерод марки Printex XE-2B поглощает 410 см3/100г, а ТУ марки П805Э - 113 см3/100г ДБФ. Следовательно, ТУ марки Printex XE-2B обладает большей степенью структурированности и значительно меньшими размерами частиц, чем ТУ марки П805Э. Возможно, этим и объясняется низкий порог электропроводности полимерных композиционных материалов на основе ТУ Printex XE-2B.

Иными свойствами обладают композиции на основе СБС при введении в них в качестве наполнителя низкомолекулярных веществ - масла ПН-6. (Иная картина электропроводности наблюдается для угленаполненных композиций на основе СБС.) Электропроводности данных композиций заметно ниже по сравнению с композициями на основе ПП и ПЭ (рис.1, табл.1.).

Так, при содержании ПЭ и ПП 15% электропроводность композиции составляет 1,6Ч10-1 (ОмЧмм2/см)-1, тогда как при содержании Printex XE-2B 15% электропроводность изменяется от 2,4Ч10-2(ОмЧмм2/см)-1 до 7,9Ч10-3 (ОмЧмм2/см)-1 с ростом концентрации масла ПН-6 в ПКМ от 45% до 70% соответственно.

Таблица 1. Зависимость электропроводности маслонаполненной полимерной композиции СБС, от содержания наполнителя ТУ PrintexXE-2B.

Такое изменение связано в первую очередь с тем, что в присутствии значительного количества низкомолекулярного вещества наблюдается разрыв электропроводящей сетки за счет заполнения пространства между частицами технического углерода. Установлено также, что с увеличением содержания полимера в составе композиции так же наблюдается рост электропроводности. Вероятнее всего, это объясняется тем, что устойчивее становится электропроводящая сетка технического углерода. Так, уже при одинаковом содержании в составе СБС масла ПН-6 и ТУ (20%), удельное сопротивление композиции составляет 1,3Ч10-1 (ОмЧмм2/см)-1, а электропроводность становится максимальной. Таким образом, повышение содержания технического углерода в составе полимерной композиции от 5 до 25% позволяет существенно замедлить уменьшение электропроводности полимерной композиции при увеличении низкомолекулярного вещества в составе ПКМ до 70% включительно.

Рис. 2. Зависимость электропроводности полимерных композиций СБС LG, наполненных ТУ PrintexXE-2B, от содержания полимера (масс.%): 1-15; 2 - 20; 3 - 25.

Такая зависимость обусловлена тем, что увеличение содержания Printex XE-2B выше уровня 15% влечет за собой явно заметный «избыточный» рост плотности электропроводящей сетки (рис. 2), которая собственно компенсирует разрушение электропроводящей сетки действием ПН-6.

При использовании в качестве электропроводящего наполнителя углеродных волокон марки УВИС АК-П (диаметр волокна 5-8 мкм, длина волокна 50-300 мкм, L/D=30) характер электропроводности полимерных композиций существенно меняется (см. табл. 2.).

Таблица 2. Зависимость электропроводности полимерной композиции, наполненной УВИС АК-П, от содержания наполнителя

На зависимости «Проводимость угленаполненных композиций - Содержание наполнителя» (рис. 1), участок А значительно меньше, чем в случае использования PrintexXE-2B и П805Э. Рост электропроводности наблюдается уже при содержании наполнителя ниже 3масс. %. При изменении содержания УВИС АК-П от 10% до 20% электропроводность увеличивается от 2,00Ч10-6(ОмЧмм2/см)-1 до 8,3Ч10-6(ОмЧмм2/см)-1. Вероятно, углеродные волокна более склонны к образованию электропроводящей сетки по сравнению с техническим углеродом. Кроме того, в интервале содержания углеродных волокон от 5 до 50% зависимость логарифма электропроводности полимерных композиций от содержания углеродных волокон является практически прямолинейной. По-видимому, здесь наибольшее влияние оказывает рост количества контактов во взаимопроникающей углеродной сетке с увеличением концентрации углеродных волокон, которая и приводит к росту электропроводности полимерной композиции.

Электропроводность полимерных композиций, полученных на основе углеродных волокон, в целом ниже, чем электропроводящих ПКМ на основе технического углерода. Так, при содержании ТУ марки PrintexXE-2B, равном 20%, lg(у) составляет -0,77, тогда как при такой же концентрации УВ lg(у) значительно ниже и составляет -5,08. Такое обстоятельство, вероятнее всего, следует связывать с природой электропроводящих частиц, в частности, с более низкой электропроводимостью углеродных волокон по сравнению с техническим углеродом.

Таким образом, показано что СБС, полиэтилен и полипропилен, наполненные техническим углеродом марки Printex XE-2B, показывают практически идентичную зависимость электропроводности от степени наполнения полимера. Установлено, что при использовании высокоструктурированной марки технического углерода Printex XE-2B значение удельного электрического сопротивления 6,3 ОмЧмм2/см достигается при существенно меньшей степени наполнения чем в случае использования П805Э. Электропроводность композиции стирол-бутадиен-стирола с содержанием Printex XE-2B от 5 до 25%, с увеличением содержания масла ПН-6 уменьшается от 1,3Ч10-1(ОмЧмм2/см)-1до 5,0Ч10-7(ОмЧмм2/см)-1. Установлено, что при наполнении полипропилена углеродными волокнами марки УВИС АК-П рост электропроводности полимерно-композиционного материала наблюдается при концентрации наполнителя 3-5%, тогда как увеличение электропроводности полимеров наполненных ТУ марки Printex XE-2B наблюдается при концентрации ~10% и для ТУ марки П805Э при концентрации ? 50%.

Литература

1. Гуль В.Е. Шенфиль Н.З. Электропроводящие полимерные композиции. - М., Химия. - 1984.

2. Зависимость электропроводности от концентрации http://www.tehnoarticles.ru/electrovydelenie/11.html (Дата обращения: 27.06.14)

3. Сажин Б.И. «Электрические свойства полимеров Издание 2» http://www.ngpedia.ru/cgi-bin/getpage.exe?cn=161&uid=0.945653101196513&inte=6 (Дата обращения: 27.06.14)

4. Создание полимеров со специальными свойствами http://newchemistry.ru/letter.php?n_id=5891&cat_id=8&page_id=3 (Дата обращения: 27.06.14)

5. Соцков В.А., О влиянии контактного сопротивления частиц на интервал перколяции в макронеупорядоченных системах проводник диэлектрик // Журнал технической физики. - 2004. том 74, вып. 11. с.35.

6. Электропроводность - полимер - Большая Энциклопедия Нефти и Газа http://www.ngpedia.ru/id614086p4.html (Дата обращения: 27.06.14)

7. Zhinua L., Chaobin H., Chung T., Conducting blends of polyaniline and aromatic main-chain liquid crystalline polymer, XYDAR SRT-900//Synthetic metals 123. - 2001. P.69-72.

8. Williams R., Inman J., An overview of composite actuators with piezoceramic fibers. Center for intelligent material systems and structures, Department of mechanical engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University. - 2003.

Размещено на Allbest.ru