CC BY
50
Абдуллин М.И., Колтаев Н.В., Николаев С.Н., Нагаев Р.Р., Басыров А.А. ©
Кафедра технической химии и материаловедения Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет»
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛИОЛЕФИНОВ, НАПОЛНЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИМ УГЛЕРОДОМ И УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКОНАМИ
Аннотация
Изучено влияние природы наполнителя на электропроводность полимерных композиций на основе АБС-пластика. Показано, что полимерные композиты на основе технического углерода Printex XE-2B позволяют получить электропроводящие полимерные материалы при значительно более низкой их концентрации в полимерной матрице, по сравнению с техническим углеродом марки П805Э и П803.
Ключевые слова: АБС-пластик, 0809М, П805Э, Printex XE-2B, П803.
Keywords: ABS, 0809M, P803E, Printex XE-2B, P803.
В современной технике имеются задачи, например, низкотемпературный электронагрев, экранирование датчиков и конструкций радиоэлектронной аппаратуры, измерение статистического давления и так далее, решение которых представляется путем применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1-6]. Эта идея не является новой, однако благодаря широким возможностям в изменении и совершенствовании свойств ПКМ, их применение увеличивается. В таких ПКМ матрицей является полимер, а наполнителем какой-либо токопроводящий порошок. В качестве наполнителя, в основном, используют различные порошки металлов, в том числе и благородных, углеродные порошки, диэлектрические порошки с токопроводящим покрытием, также получают применение экзотические наполнители, например, углеродные нанотрубы [7-10].
Свойства таких материалов будут определяться с одной стороны природой и свойствами компонентов и концентрацией наполнителя, с другой - распределением наполнителя в матрице, типом структур, которые образуют частицы наполнителя, контактными взаимодействиями между частицами и процессами на поверхности наполнителя.
Целью данной работы являлось получение токопроводящих композиций АБС-пластика за счет введения в их состав технического углерода различных марок.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы и реактивы: акрилонитрил бутадиен стирольный каучук марки 0809М, технический углерод марки П805Э, технический углерод марки Prinex XE-2B и технический углерод марки П803.
Измерение удельной электропроводности полимерной ПКМ проводили на цилиндрических образцах длиной около 2 см и диаметром 4 мм контактным способом. Эффективность контакта между измерительным электродом и измеряемым образцом обеспечивали с помощью токопроводящего клея "Контактол".
Расчет удельного электрического сопротивления проводили по формуле:
где: р - удельное сопротивление, Ом*мм2/см
R - сопротивление образца, Ом
r - радиус образца, мм
l - длина образца, см
©© Абдуллин М.И., Колтаев Н.В., Николаев С.Н., Нагаев Р.Р., Басыров А. А., 2014 г.
Логарифм удельной электропроводности определяли по формуле:
ОБСУЖДЕНИЕ результатов
Электропроводящие углеродные наполнители при введении их в полимерную матрицу способны обеспечивать значительное снижение электрического сопротивления композиционного материала по сравнению с сопротивлением исходного полимера. Установлено, что введение технического углерода в состав полимерной композиции приводит к резкому увеличению электропроводности (рис. 1.). При этом на кривой зависимости проводимости угленаполненных композиций от содержания наполнителя можно выделить три участка:
A - начальный пологий участок, характеризующийся низкими значениями электропроводности.
B - участок, характеризующийся резким увеличения проводимости.
С - пологий участок увеличения соответствует незначительному увеличению проводимости.
Рис. 1. Зависимость электропроводности наполненных полимерных композиций от природы
наполнителя и содержания наполнителя:
1 - Printex XE-2B; 2 - П805Э; 3 - П803
На основе экспериментальных данных установлено, что АБС-композиции, наполненные ТУ марок П805Э и П803, демонстрируют практически близкие значения электропроводности при одинаковом содержании технического углерода (рис. 1). При содержании П805Э и П803 5060% электропроводность полимерного материала составляет 0,63 Ом*мм2/см.
Иная картина наблюдается при использовании в качестве электропроводящего наполнителя технического углерода марки «Printex XE-2B». Так, при содержании «Printex XE-2B» 15% электропроводность полимерного материала составляет -0,77 Ом*мм2/см.
Значительные отличия в электропроводности наполненных полимеров, возможно, объясняются различным размером и формой частиц технического углерода, вводимого в полимерную матрицу В связи с этим изучено влияние дисперсности и гранулометрического состава использованных марок технического углерода. Установлено, что использованные марки ТУ существенно отличаются дисперсностью и размерами составляющих частиц. Средний диаметр частиц в ТУ марок П805Э и П803 составляет 8,7 и 6,7 мкм, тогда как в ТУ марки Printex XE-2B составляет 18,2 нм (табл. 2). Электропроводящие марки технического углерода можно охарактеризовать поглощением жидкого дибутилфталата (ДБФ). На основе литературных данных [11] показано: технический углерод марки Printex XE-2B поглощает 410 см3/100г, тогда как технический углерод марки П805Э и П803 поглощает 97-110 см3/100г ДБФ. Таким образом, технический углерод марки Printex XE-2B характеризуется высокой степенью структурированности и значительно меньшими размерами частиц по сравнению с техническим углеродом марки П805Э и П803. Этим, возможно, и объясняется низкий порог электропроводности полимерных композиционных материалов на основе ТУ Printex XE-2B.
Дисперсность марок углерода Printex XE-2B, П805Э и П803
Таблица 2
Printex XE-2B П805Э П [803
Фракции Содержание Фракции ТУ, Содержание Фракции ТУ, Содержание
ТУ, нм фракции, % нм фракции, % нм фракции, %
<5 4,2 <1,5х103 ~0,4 <1,5х 103 ~0,4%
5-10 10,2 1,5х103-5х103 22,6 1,5х 103- 5х103 6,1%
10-15 41,7 5х103-10х103 30,9 5х103-10х103 24,5%
20-25 33,5 10х103-15х103 24,7 10х103- 15х103 3,2%
>25 10,6 15х103-20х103 18,4 20х103- 100х103 65,5%
>20х 103 ~3 >100х 103 ~0,3%
Среднее 18,2 нм 6,7х103 нм 8,7х103 нм
Мода 16,7 нм 7,2х 103 нм 9,9х 103 нм
Таким образом, показано, что АБС, наполненные техническим углеродом марок П805 и П803, 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 Ом*мм2/см достигается при степени наполнения ~15%, тогда как аналогичное значение электропроводности в случае использования П805Э и П803 достигается при степени наполнения ~70%.
Литература
1. DerekWeber. Electrically conductive composites in fuel cell applications. Pittsburg State University (2004).
2. Берлин Ал. Ал. Современные полимерные композиционные материалы(ПКМ). Сорросовский образовательный журнал, №1 (1995).
3. Newnham R.E., Skinner D.P., Klicker К. А. / Ferroelectrics. 1980. V.27. Р49-55.
4. Гроднев И.И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. М.: Связь. 1972. 122 с.
5. Полонский Б.Н. Конструирование электромагнитных экранов для РЭА. М.: Сов. Радио. 1979. 216 с.
6. Алексеев А.Г. Корнев А.Е. Магнитные эластомеры. М.: Химия. 1987. 239с.
7. Composite materials handbook, Volume 1. Polymer matrix composites guidelines for characterizations of structural materials. USA Department of defense, june 2002.
8. Composite materials handbook, Volume 2. Polymer matrix composites materials propeties. USA Department of defense, june 2002.
9. Composite materials handbook, Volume 3. Polymer matrix composites materials usage, design and analysis. USA Department of defense, june 2002.
10. Paul J Glatkovski, Carbon nanotube based transparent conductive coatings. Eicos Inc. feb 2002.
11. J.F. Feller, S. Bruzaud, Y. Grohens, Influence of clay nanofiller on electrical and rheological properties of conductive polymer composite, Materials Letters 58 (2004) P 739-745
