Full Text

Вопрос об электропроводности эпоксидных матриц с присадкой углеродных нанотрубок (УНТ) актуален при разработке различных прикладных технологий использования композитных материалов (КМ) в связи с достаточно высокой электропроводностью УНТ [1-6]. В настоящее время опубликовано много теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диэлектрических свойств и электропроводности таких КМ [7-30]. При этом измерения проводимости выполнялись как в постоянных, так и в переменных электрических полях [7, 10, 13, 20, 25, 29]. В работах [7, 11-13, 15, 22, 27], в частности, показано, что под действием внешнего электрического поля при полимеризации КМ в результате пространственной ориентации УНТ может возникать анизотропия их электрических свойств. Однако необходимо отметить, что в данных работах экспериментальное исследование свойств КМ проводилось, как правило, на одном образце с определенной концентрацией УНТ. Поскольку, как показано в [25, 28], проводимость существенно зависит от методики приготовления КМ, представляет интерес одновременное изучение проводимости двух одинаково приготовленных образцов КМ, один из которых подвергается воздействию электрического поля в процессе полимеризации, а другой находится без воздействия поля. Цель настоящей работы - экспериментальное исследование проводимости двух одинаково приготовленных образцов эпоксидных матриц с УНТ, через один из которых непрерывно протекает постоянный ток в процессе полимеризации. Измерения проводились на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1. Для каждой концентрации УНТ эпоксидной матрицы изготавливались две кюветы 1 из обрезка поливинилхлоридного кабеля-канала, к торцам которого прижимались электроды 2 из фольгированного стеклотекстолита. Конкретные размеры кювет для каждого образца КМ измерялись после полимеризации эпоксидной матрицы. Характерный размер кювет 35×14×3 мм. Обе кюветы закреплялись в одном зажимном устройстве 7. Кюветы 1 подключались к лабораторному блоку питания GPS-3030DD - 3. Ток, напряжение на образцах и показания термопары измерялись универсальными вольтметрами В7-78/1 4, 5, 6 соответственно. Температура образцов измерялась термопарой 8, прикрепленной к дну кюветы. Измерения выполнялись по следующей методике. Эпоксидная матрица с УНТ изготавливалась на основе эпоксидной смолы L и отвердителя EPH 161, модифицированного концентратом TUBALL MATRIX 301. Массовое содержание концентрата варьировалось от 0,02 % до 0,2 %. Однородная диспергация смеси в эпоксидной смоле достигалась в результате использования нескольких последовательных циклов ультразвукового воздействия и электромеханического смешения. После смешивания с отвердителем смесь вновь диспергировалась ультразвуком и заливалась в две кюветы 1. Затем в течение 5 мин измерялась начальная вольт-амперная характеристика (ВАХ) образца, через который далее в процессе полимеризации непрерывно пропускался постоянный электрический ток. На рис. 2 приведены начальные ВАХ образцов с различной массовой концентрацией УНТ. Из графиков следует, что в данном диапазоне напряжений ВАХ линейные. Это означает, что проводимость в данном диапазоне значений напряжений и токов носит омический характер, а перколяционные эффекты, обусловливающие нелинейную проводимость [29], незначительны. Рис. 1. Схема экспериментальной установки Fig. 1. Scheme of the experimental facilities (explanations are in the text) Рис. 2. Начальные ВАХ образцов с различной массовой концентрацией УНТ Fig. 2. Initial VAC of specimens with various percentage by weight of CNT На следующем этапе исследовалось изменение тока при постоянном напряжении (28 В) с течением времени от момента добавления отвердителя. Результаты представлены на рис. 3, из которых следует, что для выбранных размеров кювет характерное время установления тока составляет 100-120 мин. Через 24 ч после смешивания с отвердителем по установившимся значениям тока определялась удельная проводимость образцов КМ, через которые пропускался ток при полимеризации. Одновременно измерялась проводимость образцов без тока. На рис. 4 представлены результаты измерений удельной проводимости эпоксидной матрицы при разных массовых концентрациях УНТ после их полимеризации, из которых следует, что проводимость образцов, через которые пропускался ток при полимеризации, больше вдоль линий тока, чем у образцов без тока. При этом с увеличением концентрации УНТ наблюдается рост относительной разности проводимостей. Рис. 3. Изменение тока при постоянном напряжении после добавления отвердителя (t = 0) для различных концентраций УНТ Fig. 3. Change of current under constant tension after addition of a hardener (t = 0) for various concentrations of CNT Рис. 4. Удельная проводимость σ эпоксидной матрицы при различных массовых концентрациях n УНТ: 1 - образцы, через которые пропускался ток в процессе полимеризации; 2 - ток не пропускался Fig. 4. Specific conductivity σ the epoxy matrix at different mass concentrations of n CNT: 1 - specimens through which current in the course of polymerization was passed; 2 - without current В ряде работ представлены результаты исследования зависимости проводимости КМ с УНТ от температуры [13, 20, 30]. Однако при этом, как правило, не указывается, через какое время от начала полимеризации КМ выполнены измерения. В связи с этим в настоящей работе исследована зависимость проводимости образцов от температуры через 24 ч после добавления отвердителя. Образцы нагревались до температуры 95 °С при постоянном напряжении (28 В). Время от начала нагрева образцов до их остывания до начальной температуры (20 °С) составило 50 мин. Исследовались образцы с массовой концентрацией УНТ 0,2 %. Рис. 5. Изменение тока при постоянном напряжении при нагревании образцов Fig. 5. Current alternation at a constant voltage when heating specimens На рис. 5 представлены результаты измерений, из которых следует, что с увеличением температуры проводимость образца, через который пропускался ток при полимеризации, уменьшается и в итоге после остывания исчезает различие в проводимостях образцов. При этом проводимость второго образца не зависит от температуры. Полученный результат, вероятно, обусловлен тем, что через 24 ч в данных условиях еще не наступает полная полимеризация КМ. Полученные в работе экспериментальные результаты могут быть использованы для построения и уточнения моделей ориентационного упорядочивания УНТ в жидкой полимерной матрице в электрическом поле, а также для разработки перспективных технологий изготовления КМ с заданными электрофизическими и механическими свойствами.

About the authors

V A Semenov

Perm State National Research University

S V Rusakov

Perm State National Research University

V G Gilev

Perm State National Research University

References

Statistics

Views

Abstract - 302

PDF (Russian) - 152