CC BY
26
УДК 544.774.2
Кислинская А.Ю., Бакова А.В., Цыганков П.Ю., Меньшутина Н.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТВ АЭРОГЕЛЕЙ С ВНЕДРЁННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
Кислинская Алина Юрьевна, студент 3 курса бакалавриата факультета информационных технологий и управления, email: [email protected];
Бакова Анна Владимировна, студент 3 курса бакалавриата факультета информационных технологий и управления;
Цыганков Павел Юрьевич, аспирант факультета информационных технологий и управления, ведущий инженер
международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий;
Меньшутина Наталья Васильевна, д.т.н., профессор, руководитель международного учебно-научного центра
трансфера фармацевтических и биотехнологий, профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов;
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., д. 9
В работе описывается влияние углеродных нанотрубок на электропроводящие свойства аэрогелей. Были получены аэрогели с внедренными углеродными нанотрубками, проведены аналитические исследования. Для описания изменения электропроводности использовалась классическая теория перколяции. На основе полученных значений удельной проводимости и концентрации углеродных нанотрубок был определен порог перколяции углеродных нанотрубок в аэрогелях.
Ключевые слова: аэрогель, углеродные нанотрубки, перколяция, электропроводность, критическая концентрация.
INVESTIGATION OF THE ELECTRIC CONDUCTIVITY PROPERTIES OF AEROGELS WITH INTEGRATED CARBON NANOTUBES
Kislinskaya A.Y., Bakova A.V., Tsygankov P.Y., Menshutina N.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The paper describes the effect of carbon nanotubes on the electrical properties of aerogels. Aerogels with embedded carbon nanotubes were obtained, and analytical studies were carried out. To describe the change in electrical conductivity, the classical theory ofpercolation was used. Based on the obtained values of the conductivity and concentrations of carbon nanotubes, the percolation threshold of carbon nanotubes in aerogels was determined. Keywords: aerogel, carbon nanotubes, percolation, electrical conductivity, critical concentration.
Аэрогели - наноструктурированные материалы, которые являются объектом изучения химии, физики и материаловедения. Внутреннее строение данных материалов представляет собой сферические кластеры, но большую часть занимает множество пор, размеры которых всего 10-100 нм. Аэрогели обладают низкой плотностью, так как их пористость 95-99% от всего объема. Площадь внутренней поверхности аэрогелей около 1000 м2/г [1]. Аэрогели находят применение как тепло- и звукоизоляционные материалы, сорбенты, катализаторы и носители катализаторов, средства доставки лекарств. Аэрогели способны выступать в качестве сенсоров. При взаимодействии с газами или парами меняется их сопротивление.
Для придания электропроводящих свойств в материал могут быть добавлены углеродные нанотрубки (УНТ). В работе [2] рассматривается влияние УНТ на электропроводящие свойства. При увеличении концентрации от 0% до 8% поверхностное сопротивление материала уменьшилось с 107 Ом/м2 до 103 Ом/м2. При увеличении концентрации УНТ в нанокомпозитах могут ухудшаться физико-механические свойства материала: ударная вязкость, отвечающая за надежность материала, прочность. Использование больших концентраций УНТ нецелесообразно [3].
Необходимо исследовать детальный механизм влияния концентрации УНТ на электропроводность материала. В результате распределения УНТ в матрице
материала, который не проводит электрический ток, образуется сеть нанотрубок. За счет данной сети вещество-диэлектрик приобретает нужные электропроводящие свойства. Увеличение объема УНТ приводит к значительному изменению проводимости композита при определенной концентрации. Такая концентрация называется порогом перколяции.
Перспективным является уменьшение значения порога перколяции. Для этого нужно оценить параметры, влияющие на снижение порога перколяции. Одним из них является аспектное соотношение -отношение длины нанотрубки к диаметру. Чем больше аспектное соотношение, тем меньше порог перколяции [4]. Исследования показали, что на величину порога перколяции оказывает влияние ультразвуковое диспергирование УНТ в матрице.
В работе [5] описывается проведенный опыт прессования нанокомпозита с УНТ и влияние прессования на электропроводящие свойства. В ходе работы исследователи достигли заданного распределения УНТ в матрице наноматериала, уменьшая скорость прессования и увеличивая температуру. В результате получили нанокомпозит-проводник при небольшом содержании УНТ. Таким образом, на порог перколяции влияет характер распределения УНТ в объеме нанокомпозита. В работе [6] показано, что это распределение должно быть неравномерным. Порог перколяции будет уменьшаться, когда наполнитель образует проводящие пути внутри
матрицы. Условно полученный композит можно разделить на две части: проводящая сетка и непроводящая матрица.
Целью данной работы является получение аэрогелей с УНТ, обладающих электропроводящими свойствами при минимальной концентрации УНТ. Получив аэрогели с определенной концентрацией УНТ ф в виде цилиндрических монолитов, проведено измерение их массы и объема. На основе этих данных рассчитали усадку Ь, плотность р и пористость ф. Площадь удельной поверхности SБэт определена с помощью азотной порометрии. Все характеристики приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики аэрогеля с УНТ
ф, об.% ф, % p, г/см3 8бэт, м2/г L, %
0 95 0.092 720 8.8
0.08 94 0.113 700 8.1
0.77 94 0.107 705 6.9
3.88 95 0.095 643 2.2
7.85 95 0.095 456 1.4
По полученным результатам можно сделать выводы: плотность аэрогеля не изменяется при добавлении УНТ, величина усадки и площадь удельной поверхности уменьшаются с увеличением концентрации УНТ. Отметим, что уменьшение усадки по мере увеличения концентрации значительно.
]
ю-1 10 = 10' ю-' 10 ! ю-" 10' 10' I0-* Ifr™ JO" 10" 10" 10" 10"5 10"
Экспериментально определили
электропроводность аэрогеля на основе УНТ с помощью прибора тераомметра, предназначенного для измерения больших сопротивлений. Резкое уменьшение сопротивления аэрогеля наблюдалось при концентрации 0.08 об.% УНТ. При измерении сопротивления аэрогеля с концентрацией УНТ более 3.88 об.% уменьшения сопротивления не происходило.
Далее был рассчитан порог перколяции. За основу взяли выражение зависимости удельной проводимости от концентрации наполнителя:
О ~ (ф - фк),
где ф - объемная доля наполнителя, об.%;
фк - критическая концентрация наполнителя (порог
перколяции), об.%;
t - критический параметр перколяции;
о - удельная проводимость, См/см.
Для нахождения порога перколяции был построен график зависимости о(ф) (рис. 1,а). Данный график наглядно показывает характер изменения электропроводящих свойств в зависимости от концентрации УНТ в аэрогеле. Для нахождения критической концентрации была построена зависимость производной d(o)/d(ф) от ф (рис. 1,б). Максимальное значение производной соответствует порогу перколяции (рис. 1,б). По данной зависимости фк = 0.08 об.%.
Сам ; м об " >
ISO List} 140 120 too
30 АО 40 20
8 ф, о<5 %
8 f. о6.%
Рис. 1. Влияние концентрации нанотрубок на электропроводящие свойства аэрогеля: а - зависимость удельной электрической проводимости от концентрации нанотрубок, б - зависимость d(a)/d(ф) от ф
Проделанный эксперимент и теоретический анализ подтвердили, что внедрение УНТ в матрицу аэрогеля придает данному материалу электропроводящие свойства. Проведённые аналитические исследования подтверждают, что разработанные методики получения аэрогелей с внедренными УНТ позволяют добиться заданных электропроводящих свойств при минимальных концентрациях УНТ.
Измерения выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования РХТУ имени Д.И. Менделеева.
Список литературы
1. Pierre A.C., Pigacci A. Materials and Processing: inorganic - silica based aerogels // Aerogels Handbook. New York: Springer, 2011. P. 21-39.
2. Carbon nanotube-polymer composites: chemistry, processing, mechanical and electrical properties / Spitalsky
Z. [et al.]. Progress in polymer science. 2010. V. 35, № 3. P. 357-401.
3. Mechanical properties and electrical conductivity of carbon-nanotube filled polyamide-6 and its blends with acrylonitrile/butadiene/styrene / Meincke O. [et al.]. Polymer. 2004. V. 45, № 3. P. 739-748.
4. Кондрашов С.В., Юрков Г.Ю. Полимерные нанокомпозиты, наполненные углеродными нанотрубками // Наноматериалы: свойства и перспективные приложения. М.: Научный мир, 2014. C. 265-299.
5. Dispersion, agglomeration, and network formation of multiwalled carbon nanotubes in polycarbonate melts / Pegel S. [et al.]. Polymer. 2008. V. 49, № 4. P. 974-984.
6. Correlations between percolation threshold, dispersion state, and aspect ratio of carbon nanotubes / Li J. [et al.]. Advanced Functional Materials. 2007. V. 17, № 16. P. 3207-3215.
