About Electrical Conductivity of the Epoxy Matrix with Carbon Nanotubes

Abstract


Polymeric materials on the basis of epoxy resins are widely applied in production of various devices and structures. In real work electrical conductivity of epoxy matrixes modified by carbon nanotubes under continuous current in the course of their polymerization at a constant tension is experimentally investigated. The relevance of the research is bound to an adequate theoretical model of orientation ordering of carbon nanotubes for a liquid polymeric matrix for an electric field. The description of the pilot unit and measurement technique is provided. The paper presents the measurement results of volt-ampere characteristics of specimens of composite materials with various percentages (by weight) of carbon nanotubes, which prove that the conductivity has an ohmic character. Stabilization times of the current proceeding through the specimens after the beginning of polymerization at a constant tension are defined. According to established values of current it is shown that the conductivity of the specimens of epoxy matrixes through which current at polymerization proceeded is higher than the conductivity of specimens through which current didn't proceed. At the same time with an increase of nanotubes concentration, there comes an increase of difference of the specimens’ conductivity. The research of dependence of the specimen conductivity on temperature in a day after the beginning of polymerization of the composite material is conducted. It is established that when heating to 90 ͦ C, the conductivity of the specimen imposed with the current during polymerization decreases to values of the specimen conductivity without current. The research is aimed at studying how to make solidification technologies of composite materials faster for production of large parts in space applications. The received results can be also used for development of prospective manufacturing techniques of composite materials with the given electrophysical and mechanical characteristics using electric fields of the corresponding configuration in the course of their polymerization.

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.

V A Semenov

Perm State National Research University

S V Rusakov

Perm State National Research University

V G Gilev

Perm State National Research University

  1. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки // Успехи физических наук. - 1997. - Т. 167, № 9. - С. 945-972.
  2. Investigation on Sensitivity of a Polymer/сarbon Nanotube Composite Strain Sensor / N. Hu, Y. Karube, Arai [et al.] // Carbon. - 2010. - No. 48. - P. 680-687. doi: 10.1016/j.carbon.2009.10.012
  3. Electrical Percolation Behavior in Silver Nanowire - Polystyrene Composites: Simulation and Experiment / S.I. White, R.M. Mutiso, D. Jahnke, S. Hsu, J. Li, J.E. Fischer, K.I. Winey // Advanced Functional Materials. - 2010. - No. 20. - P. 2709-2716. doi: 10.1002/adfm.2010.00.451
  4. Абдрахимов Р.Р., Сапожников С.Б., Синицын В.В. Сенсоры давления и температуры на основе суспензии эпоксидной смолы и углеродных нанотрубок // Вестник ЮУрГУ. Сер. Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. - 2013. - Т. 13, № 4. - С. 16-23.
  5. Mechanical and electrical property improvement in CNT/Nylon composites through drawing and stretching / X. Wang, P.D. Bradford, W. Liu [et al.] // Composites Science and Technology. - 2011. - Vol. 71. - No. 14. - P. 1677-1683. doi: 10.1016/j.compscitech.2011.07.023.
  6. Electrical conductivity of individual carbon nanotubes / T.W. Ebbesen, H.J. Lezec, H. Hiura [et al.] // Nature. - 1996. - No. 382. - P. 54-56.
  7. Percolation-dominated conductivity in a conjugated-polymer-carbon-nanotube composite / J.N. Coleman, S. Curran, A.B. Dalton [et al.] // Physical Review B. - 1998. - Vol. 58. - No. 12. - P. 7492-7495. doi: 10.1103/PhysRevB.58.R7492
  8. Wang L., Dang Z.-M. Carbon nanotube composites with high dielectric constant at low percolation threshold [Электронный документ] // Applied Physics Letters. - 2005. - Vol. 87. - P. 042903. doi: 10.1063/1.1996842
  9. Electrical and thermophysical behaviour of PVC-MWCNT nanocomposites / Ye. Mamunya, A. Boudenne, N. Lebovka [et al.] // Composites Science and Technology. - 2008. - Vol. 68. - No. 9. - P. 1981-1988. doi: 10.1016/j.compscitech.2007.11.014
  10. Электропроводность механической смеси углеродных нанотрубок и терморасширенного графита при различных концентрациях и степени сжатия / М.М. Нищенко [и др.] // Наносистеми, наноматерiали, нанотехнологii. - 2009. - Т. 7, № 3. - С. 717-726.
  11. Electric field-induced aligned multi-wall carbon nanotube networks in epoxy composites / C.A. Martin, JK.W. Sandler, A.H. Windle [et al.] // Polymer. - 2005. - Vol. 46. - No. 3. - P. 877-886. doi: 10.1016/j.polymer.2004.11.081
  12. Блохин А.Н. Влияние углеродных нанотрубок на электропроводность эпоксидной матрицы // Вопросы современной науки и практики. - 2012. - № 3(41). - С. 384-386.
  13. Электропроводность полипропиленовых волокон с дисперсными углеродными наполнителями / О.А. Москалюк [и др.] // Физика твердого тела. - 2012. - Т. 54, № 10. - С. 1993-1998.
  14. Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. - М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.
  15. Bauhofer W., Kovacs J. A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites // Composites Science and Technology. - 2009. - Vol. 69. - No. 10. - P. 1486-1498. doi: 10.1016/j.compscitech.2008.06.018
  16. Carbon nanotube-polymer composites: chemistry, processing, mechanical and electrical properties / Z. Spitalsky, D. Tasis, K. Papagelis [et al.] // Progress in Polymer Science. - 2010. - Vol. 35. - No. 3. - P. 357-401. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2009.09.003
  17. Xie X.-L., Mai Y.-W., Zhou X.-P. Dispersion and alignment of carbon nanotubes in polymer matrix: a review // Materials Science and Engineering: R: Reports. - 2005. - Vol. 49. - No. 4. - P. 89-112. doi: 10.1016/j.mser.2005.04.002
  18. Wang M.-W., Hsu T.-C., Weng C.-H. Alignment of MWCNTs in polymer composites by dielectrophoresis // The European Physical Journal Applied Physics. - 2008. - Vol. 42. - No. 3. - P. 241-246. doi: 10.1051/epjap:2008069
  19. Shao-Jie M., Guo W.-L. Mechanism of carbon nanotubes aligning along applied electric field // Chinese Physics Letters. - 2008. - Vol. 25. - No. 1. - P. 270-273.
  20. Electrical/dielectric properties and conduction mechanism in melt processed polyamide/multi-walled carbon nanotubes composites / E. Logakis, Ch. Pandis, V. Peoglos [et al.] // Polymer. - 2009. - Vol. 50. - No. 21. - P. 5103-5111. doi: 10.1016/j.polymer.2009.08.038
  21. Battisti A., Skordos A.A., Partridge I.K. Percolation threshold of carbon nanotubes filled unsaturated polyesters // Composites Science and Technology. - 2010. - Vol. 70. - No. 4. - P. 633-637. doi: 10.1016/j.compscitech.2009.12.017
  22. Preparation, characterization, and modeling of carbon nanofiber/epoxy nanocomposites / L.-H. Sun, Z. Ounaies, X.-L. Gao [et al.] // Journal of Nanomaterials. - Vol. 2011. - Article ID 307589. doi: 10.1155/2011/307589
  23. Analysis of DC electrical conductivity models of carbon nanotube-polymer composites with potential application to nanometric electronic devices / R. Vargas-Bernal, G. Herrera-Pérez, M.E. Calixto-Olalde [et al.] // Journal of Electrical and Computer Engineering. - 2013. - No. 1. doi: 10.1155/2013/179538
  24. Dielectrophoretic modeling of the dynamic carbon nanotube network formation in viscous media under alternating current electric fields / A.I. Oliva-Aviles, F. Aviles, V. Sosa [et al.] // Carbon. - 2014. - Vol. 69. - P. 342-354. doi: 10.1016/j.carbon.2013.12.035.
  25. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки / А.В. Елецкий, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, Х.М. Кенни // Успехи физических наук. - 2015. - Т. 185, № 3. - С. 225-270. doi: 10.3367/UFNr.0185.201503a.0225
  26. Электропроводящие гибридные полимерные композиционные материалы на основе нековалентно функционализированных углеродных нанотрубок / С.В. Кондрашов [и др.] // Труды ВИАМ. - 2016. - № 2. - С. 81-93. doi: 10.18577/2307-6046-2016-0-2-10-10
  27. Исследование влияния функцианализированных многостенных углеродных нанотрубок на электропроводность и механические характеристики эпоксидных композитов / Е.А. Яковлев [и др.] // Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. - 2016. - № 3. - С. 15-23. doi: 10.17223/24135542/5/2
  28. Диэлектрические свойства композиционных материалов с ориентированными углеродными нанотрубками / Е.С. Яковенко [и др.] // Неорганические материалы. - 2016. - Т. 52, № 11. - С. 1271-1276.
  29. Бочаров Г.С., Елецкий А.В., Книжник А.А. Нелинейное сопротивление полимерных нанокомпозитов с присадкой углеродных нанотрубок в условиях перколяции // Журнал технической физики. - 2016. - Т. 86, № 10. - С. 64-68.
  30. Electrical, thermal and mechanical properties of epoxy/CNT/calcium carbonate nanocomposites / E.H. Backes, T.S. Sene, F.R. Passador [et al.] // Materials Research. - 2018. - Vol. 21. - No. 1. doi: 10.1590/1980-5373-mr-2017-0801

Views

Abstract - 9

PDF (Russian) - 19

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2019 Semenov V.A., Rusakov S.V., Gilev V.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies