DOI: https://doi.org/10.18524/1815-7459.2019.2.171243

ТЕРМОРЕЗИСТИВНА ПОВЕДІНКА СИСТЕМ НА ОСНОВІ СІТЧАСТИХ ПОЛІУРЕТАНІВ ТА ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК

Е. А. Лисенков, Є. В. Лобко, З. О. Гаголкіна, Р. В. Дінжос, В. В. Клепко

Анотація


Дана робота присвячена вивченню терморезистивної поведінки нанокомпозитів на основі сітчастих поліетеруретанів (СПЕУ) та вуглецевих нанотрубок (ВНТ) з метою застосування даних матеріалів як середовищ для сенсорів температури. Синтез зразків для дослідження проводили методом in situ полімеризації. Для дослідження залежності електропровідності систем на основі СПЕУ та ВНТ від температури використовували метод імпедансної спектроскопії. Отримано залежності електропровідності систем на основі СПEУ від вмісту ВНТ, а також промодельвано дану залежність у рамках скейлінгового підходу теорії перколяції. Значення порогу перколяції для системи СПЕУ-ВНТ, становить 0,0032 об.ч., а критичний індекс t = 1,51. Встановлено, що основним механізмом переносу заряду у даній системі є механізм тунелювання. Явище перколяції у цих системах підтверджується результатами оптичної мікроскопії. З мікрофотографій видно, що перколяційний кластер утворюється при вмісті наповнювача 0,003 об.ч. У результаті проведених досліджень було вивчено вплив температури на електропровідність систем на основі сітчастих поліетеруретанів та вуглецевих нанотрубок. Встановлено, що електропровідність у інтервалі температур від 300 К до 400 К зростає більш ніж у 40 разів. У результаті аналізу залежностей електропровідності від температури розраховано резистивно-температурний коефіцієнт, який є однією із основних характеристик чутливості температурних сенсорів. Так, в інтервалі температур від 300 К до 400 К для всіх досліджуваних зразків системи СПЕУ-ВНТ цей коефіцієнт лежить у межах –0,27÷-0,55 % К-1. Отримані значення корелюють зі значеннями коефіцієнта чутливості для сенсорів на основі інших еластомерів та ВНТ, які широко застосовуються на практиці. Показано, що матеріали на основі СПЕУ та ВНТ є перспективними для їх використання як терморезистивні середовища для сенсорів температури або різного роду термодатчиків.

Ключові слова


полімерні нанокомпозити; вуглецеві нанотрубки, електропровідність; перколяційна поведінка; температура

Повний текст:

PDF

Посилання


H. Koerner, W. Liu, M. Alexander, P. Mirau, H. Dowty, R. A. Vaia. Deformationmorphologycorrelations in electrically conductive carbon nanotube-thermoplastic polyurethane nanocomposites // Polymer, 46, рр. 4405-4420 (2005).

Z. Wirpsza. Polyurethanes / London: Eliss Horwood Limited, 517 p. (1997).

D. K. Chattopadhyay and D. C. Webster. Thermal Stability and flame Retardancy of Polyurethanes // Progress in Polymer Science, 34 (10), рр. 1068-1133 (2009).

L. Zunfeng, B. Gang, H. Yi., M. Yanfeng, D. Feng, L. Feifei, G. Tianying, C. Yongsheng. Reflection and absorption contributions to the electromagnetic interference shielding of single-walled carbon nanotube/polyurethane composites // Carbon, 45, рр. 821-827 (2007).

K. Sasikumar, N. R. Manoj, R. Ramesh, T. Mukundan. Carbon nanotube-polyurethane nanocomposites for structural vibration damping // Int. J. Nanotechnol., 9 (10/11/12), pp. 1061 - 1071 (2012).

D. Cai, M. Song. Latex technology as a simple route to improve the thermal conductivity of a carbon nanotube/polymer composite // Carbon, 46, рр. 2107-2112 (2008).

L. Flandin, J. Cavaille, Y. Brechet, R. Dendievel. Characterization of the damage in nanocomposite materials by a. c. electrical properties: experiment and simulation // J. Mater. Sci., 34, рр. 1753-1759 (1999).

Fathi, K. Hatami, B. P. Grady. Effect of carbon black structure on low-strain conductivity of polypropylene and low-density polyethylene composites // Polym. Engin. Sci., 52, рр. 549-556 (2012)

M. T. S. Chani, A. M. Asiri, Kh. S. Karimov, M. Bashir, S. B. Khan, MM. Rahman. Carbon Nanotubes-Silicon Nanocomposites Based Resistive Temperature Sensors // Int. J. Electrochem. Sci., 10, рр. 3784-3791 (2015).

C. K. M. Fung, V. T. S. Wong, R. H. M. Chan, W. J. Li. Dielectrophoretic batch fabrication of bundled carbon nanotube thermal sensors // IEEE Transactions on Nanotechnology, 3, 395-403 (2004).

S. Sarma, J. H. Lee. Developing Efficient Thin Film Temperature Sensors Utilizing Layered Carbon Nanotube Films // Sensors, 18, рр. 3182-1–3182-10 (2018).

Izotsianaty. Metod opredeleniya massovoy doli izotsianatnykh grup. Tekhnicheskiye usloviya / Dzerzhinskiy filial GIAP, 9 s. (1989).

E. Lysenkov, I. Melnyk, L. Bulavin, V. Klepko, N. Lebovka. Structure of Polyglycols Doped by Nanoparticles with Anisotropic Shape. in Physics of Liquid Matter: Modern Problems, Springer Proceedings in Physics, Eds. L. Bulavin and N. Lebovka, рр. 165- 198, Switzerland: Springer International Publishing (2015).

Kyritsis, P. Pissis, J. Grammatikakis. Dielectric relaxation spectroscopy in poly(hydroxyethy acrylate)/water hydrogels // J. of Polymer Sci.: Part B: Polymer Physics, 33, рр. 1737-1750 (1995).

E. A. Lysenkov, Z. O. Gagolkina, E. V. Lobko, Yu. V. Yakovlev, S. D. Nesin, V. V. Klepko. Structure-property relationships in polymer nanocomposites based on crosslinked polyurethanes and carbon nanotubes // Functional materials, 22 (3), рр. 342-349 (2015).

L. Efros, B. I. Shklovskii. Critical Behaviour of Conductivity and Dielectric Constant near the Metal-Non-Metal Transition Threshold // Phys. Stat. Sol. (b), 76, рр. 475-485 (1989).

S. Kirkpatrick. Percolation and Conduction // Rev. mod. Phys., 45, рр. 574-588 (1973).

C. D. Mitescu, M. J. Musolf. Critical exponent for 3-D percolation conductivity, revisited // J. Physique – Lettres, 44, 679-683 (1983).

E. A. Lysenkov, Y. V. Yakovlev, V. V. Klepko. Percolative properties of systems based on polypropylene glycol and carbon nanotubes // Ukr. J. Phys., 58 (4), рр. 378-384. (2013).

J. Zhang, M. Mine, D. Zhu, M. Matsuo. Electrical and dielectric behaviors and their origins in the three-dimensional polyvinyl alcohol/MWCNT composites with low percolation threshold // Carbon, 47 (5), рр. 1311- 1320 (2009).

D. Stauffer, A. Aharony. Introduction to percolation theory / Taylor and Francis, London, 318 р. (1994)

M. T. Connor, S. Roy, T. A. Ezquerra, F. J. Balta Calleja. Broadband AC Conductivity of Conductor-Polymer Composites // Phys. Rev. B., 57 (4), 2286-2294 (1998).

E. A. Lysenkov, V. V. Klepko. Features of Charge Transfer in the Polyethylene Glycol / Carbon Nanotubes System // J. of Nano- and Electron. Phys., 5 (3), рр. 03052-1–03052-6 (2013).

K. S. Karimov, M. T. S. Chani, F. A. Khalid. Carbon nanotubes film based temperature sensors // Physica E, 43, 1701-1703 (2011).

M. Zaitsev, A. M. Levine, S. H. Zaidi. Carbon nanowire-based temperature sensor // Physica Status Solidi (A), 204, рр. 3574- 3579 (2007).




Copyright (c) 2019 Сенсорна електроніка і мікросистемні технології

ISSN 1815-7459 (Print), 2415-3508 (Online)