Перколяционный перехід в полімерах з малою добавкою УНТ

Як відомо, додавання вуглецевих нанотрубок (ВНТ) в полімерний матеріал суттєво змінює його електричні характеристики. Навіть невеликий присадки УНТ (на рівні 0.1%) достатньо, щоб провідність матеріалу зросла більш ніж на 10 порядків величини, переводячи тим самим матеріал з розряду діелектриків в розряд провідників.

Настільки різка зміна електричних властивостей матеріалу пояснюється в рамках механізму перколяціонному провідності, відповідно до якого при перевищенні деякої порогової концентрації нанотрубки набувають електричний контакт один з одним, утворюючи в матеріалі провідні канали. Згідно теорії, провідність композиту σ в околиці порогу протікання описується виразом

σ = σо(V – Vc)t, (1)

де V – об’ємний вміст присадки, Vc – критична (гранична) величина цього параметра, відповідна виникнення перколяціонному ланцюга, t – показник експоненти, величина якого зазвичай близька до 2. При цьому порогова величина концентрації ВНТ Vc обернено пропорційна їх аспектному відношенню (відношення довжини до діаметру), що виправдовує застосування довгих УНТ в цілях створення провідних композитних матеріалів на полімерній основі.

Основна трудність, що стоїть на шляху створення провідних полімерних матеріалів з малою присадкою УНТ, пов’язана з необхідністю забезпечення рівномірного розподілу нанотрубок за обсягом матеріалу. Ця складність обумовлена певною тенденцією нанотрубок до утворення джгутів, в яких нанотрубки злипаються один з одним завдяки взаємодії Ван-дер-Ваальса. Нанотрубки, об’єднані в джгути, не беруть участь в утворенні перколяцінних ланцюгів, що збільшує величину порогу протікання. Проте результати експериментів показують, що абсолютно рівномірний розподіл присадки за обсягом матеріалу не є оптимальним з погляду мінімізації порогу протікання.

В роботі [1] було досліджено набір зразків композиту розміром 25251 мм на основі поліетилену низької щільності (ПЕНЩ) з присадкою багатошарових УНТ, мають середню аспектне відношення 1000. Поряд з нанотрубками, зразки, отримані методом гарячого пресування, містили також 0.1% антиоксиданту на основі фенолу. З метою запобігання окислення зразки прогрівали в атмосфері азоту при температурі 200оС. Електричні характеристики зразків вимірювали чотирьохконтактним методом.

Вимірювання, результати яких наведені на рисунку, вказують на істотну залежність положення перколяційного порогу, а також величини показника експоненти t, від тривалості термообробки. При цьому спостерігається обернено пропорційна залежність показника експоненти t від положення перколяційного порогу Vc. З отриманих у роботі результатів випливає, що для встановлення в нанокомпозите перколяціонному проводить ланцюга, параметри якої описуються співвідношенням (1), потрібно значний час, протягом якого відбувається розподіл частинок наповнювача за обсягом полімерного матеріалу. Цей висновок дозволяє пояснити істотний розкид в величинах перколяцінних параметрів, отриманих різними авторами.

А. Єлецький

1. A. Combessis et al., Appl. Phys. Lett. 102, 011907 (2013).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *