CC BY
71
УДК 53.096
Р. А. Сафиуллин, Д. М. Кадиров, И. Э. Исмаев, Е. С. Нефедьев, М. К. Кадиров
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА САЖЕНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИСУЛЬФИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Ключевые слова: углеродные наночастицы, проводящие полимерные композиции.
Получены зависимости удельного сопротивления углеродосодержащего полисульфидного полимера от температуры при различном процентном содержании углеродных наночастиц. Углеродные наночастицы охарактеризованы с помощью атомно-силового микроскопа.
Keywords: carbon nanoparticles, conductive polymers.
The temperature dependence of specific resistance of carboncontaining polysulfide polymer with different concentration of carbon nanoparticles was measured. Carbon nanotubes were characterized by atomic-force microscope.
Введение
Полимерные композиции на основе тиоколовых герметиков представляют большой интерес в различных областях промышленности и науки, и могут быть применены в повседневной жизни, например, в качестве основы саморегулируемых греющих кабелей [1]. Комбинированное механическое, тепловое и электрическое взаимодействие между частицами наполнителя через их электрические контакты и полимер окружения определяет свойства таких материалов [2]. По электрофизическим свойствам саженаполненные токопроводящие полимеры -полупроводники, их удельное сопротивление изменяется от 100 до 1000 Ом*м [3]. Саженаполненные композиционные материалы на основе полисульфидных олигомеров так же проявляют свойства нано- и
микроструктурирования, так, например, на поверхности среза данных композитов образуются участки атомарно гладкой поверхности после пропускания через него электрического тока в ходе снятия температурных характеристик[4]. Целью данной работы является выяснение характера влияния углеродных наночастиц на термоэлектрические характеристики
саженаполненного тиоколового герметика при их различном содержании в композиции.
Экспериментальная часть
Температурная зависимость удельного
сопротивления полимерной композиции получена с помощью установки на основе блока температурной стабилизации B-VT-1000 (фирма Bruker, Германия), описанной в работе [5]. Температура в ячейке с образцом поддерживается с помощью потока газообразного азота, поступающего по вакуумной трубке из сосуда Дьюара с жидким азотом. Внутри вакуумной трубки, связывающей рабочий объем ячейки с сосудом Дьюара, находится нагревательный элемент, непосредственно регулирующий температуру газообразного азота. После установки и стабилизации необходимой температуры проводится снятие электрических характеристик образца с помощью мультиметра MY-68 фирмы Mastech.
Характеризация углеродных наночастиц осуществлялась с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) MultiMode V (Veeco instruments Inc., США), с использованием кремниевого кантеливера RTESP (Veeco
instruments Inc., США) с коэффициентом упругости 40 Н/м и радиусом закругления иглы 10-13нм. Изображения были получены при следующих параметрах обратной связи: интегральное усиление - 1, пропорциональное усиление -5. Частота сканирования составляла 1 Гц. Латеральные расстояния были прокалиброваны, используя специальную калибровочную сетку (STR3-1800P, VLSI Standards Inc.) в температурном диапазоне 20-60°C. Расстояния перпендикулярные поверхности были прокалиброваны по измерениям высоты участков той же сетки. Нелинейности пьезоэлектрического двигателя в данном диапазоне параметров не наблюдалась. Для предотвращения влияния внешних помех была применена противовибрационная система (SG0508).
Пробоподготовка для АСМ проходила следующим образом: порошок из углеродных наночастиц добавлялся в воду в малых количествах, далее смесь обрабатывалась в ультразвуковой ванне для образования суспензии, полученная суспензия наносилась гидрофильную подложку (слюда) и высушивалась в течение 2 часов при температуре 80°C.
Результаты и обсуждение
Температурная зависимость удельного сопротивления исходной полимерной композиции описана в работе [5]. В состав исходной композиции входит 100 массовых долей тиокола марки НВБ-2, 40 массовых долей технического углерода, 30 долей вулканизующей пасты на основе диоксида марганца и 1 доля дифенигуанидина. Данный материал обладает способностью к саморегулированию выделяемой мощности. Принцип саморегулирования
сопротивления заключается в следующем: когда окружающая среда холодная, материал композиции сжимается, создавая при этом множество токопроводящих дорожек из углеродного материала, снижая тем самым электрическое сопротивление; при прохождении электрического тока происходит выделение тепловой энергии (джоулевого тепла) - в более теплых участках материал композиции расширяется, сокращая при этом число токопроводящих дорожек - электрическое сопротивление материала повышается и, в результате, выделение тепла снижается [6]. На Рис. 1 представлена зависимость от температуры удельного сопротивления данной композиции с различным содержанием углеродных наночастиц. Содержание
наночастиц в композите указано в процентах от массы наполнителя - технического углерода.
160-
120-
80
40
- исходным композит
- 0.1 % наночастиц
- 0.5 %
- 1 - 2 - 5
-10 0 Температура (оС)
Рис. 1 - Зависимость удельного сопротивления углеродосодержащего тиоколового герметика от температуры при различном процентном содержании в композиции углеродных наночастиц
Как видно при добавлении наночастиц кривая температурной зависимости удельного сопротивления смещается в сторону более низких температур, так же изменяется ее крутизна. Данный эффект позволяет регулировать удельную мощность саморегулируемого нагревательного элемента в различных диапазонах температур. Например, наименьшим сопротивлением и, как следствие, наибольшей выходной мощностью при температурах ниже 0°С обладает композиция с содержанием наночастиц 2% от массы технического углерода. При этом за счет увеличения крутизны зависимости удельного сопротивления от температуры, при температурах выше 0°С данная композиция обладает большим сопротивлением и меньшей мощностью чем исходная. Следовательно, саморегулируемый тепловой элемент на основе композиции с 2% содержанием углеродных наночастиц обеспечит сравнительно высокую выходную мощность при температуре ниже 0°С и более экономный расход электроэнергии при температурах выше 0°С.
По данным АСМ представленным на рис.2 размеры наночастиц вносимых в композицию лежат в следующих диапазонах: высота 12-40нм, латеральные размеры 100-400нм.
Рис. 2 - АСМ изображение углеродных наночастиц в масштабе 5х5мкм а) и 2х2мкм б)
Выводы
В ходе данной работы получена зависимость удельного сопротивления углеродосодержащего тиоколового герметика от температуры с различным содержанием углеродных наночастиц, состав и размеры которых определены с помощью АСМ. Наиболее подходящей для создания саморегулируемых нагревательных элементов является композиция, содержащая углеродные наночастицы в соотношении 2% от массы технического углерода. Проведенные исследования позволят создавать композиции с различными термоэлектрическими свойствами, что заметно расширит область их применимости.
Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Наноматериалы и нанотехнологии» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно -технологического комплекса России на 2007-2013 годы" по госконтракту 16.552.11.7012
Литература
1. Идиятуллин, З.Ш. Электропроводящая полимерная композиция / З.Ш. Идиятуллин и др. // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: Сборник статей V межд. науч.-технич. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. - С.108-110
2. Гуль, В.Е. Электропроводящие полимерные композиции / В.Е. Гуль, Л.З. Шенфиль - М.: Химия, 1984. - 278 с.
3. Bertozzi, E.R. Chemistry and Technology of Elastomeric Polysulfide Polymers / E.R. Bertozzi //Rubber Chem. And Techn.-1968.-V.41.-№1. P.114-160
4. Шарафутдинова, З.Р. Углеродосожержащие полимерные композиции на основе тиоколовых герметиков / З.Р. Шарафутдинова и др. // XVIII Всероссийская конференция "Структура и динамика молекулярных систем". - Казань. - 2011 г. - Сборник тезисов. - С. 159.
5. Сафиуллин, Р.А. Установка для измерения температурных характеристик проводящих полимеров / Р.А. Сафиуллин, Е.С. Нефедьев, М.К. Кадиров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 12. - С. 67 - 69.
6. Миракова, Т.Ю. Влияние состава полимерных композиций на основе полисульфидных олигомеров на их электропроводность / Т.Ю. Миракова, Е.С. Нефедьев, З.Ш. Идиятуллин, А.И. Даянова, И.Р. Низамеев, Ф.Г. Маннанова, Ю.С. Карасева // Вестник Казан. технол. унта. - 2011. - Т. 14, № 1. - С. 109 - 113.
0
© Р. А. Сафиуллин - асс. каф. физики КНИТУ, [email protected]; Д. М. Кадиров - инж. каф. физики КНИТУ, ст. лаб. лаб. ЭХС ИОФХ им. А.Е. Арбузова; И. Э. Исмаев - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. приборов и информационно-измерительных систем ФГБОУ ВПО «КНИТУ-КАИ»; Е. С. Нефедьев - д-р хим. наук, проф., зав. каф. физики КНИТУ; М. К. Кадиров -канд. физ.-мат. наук, доц. каф. физики КНИТУ.
