Sifat Listrik Bahan Komposit dengan Penyelarasan Nanokarbon Berbantuan Medan Listrik

Abstrak

Artikel tersebut melaporkan tentang penyelarasan yang diinduksi medan listrik dari nanopartikel karbon yang tertanam dalam matriks epoksi. Mikroskop optik dilakukan untuk mempertimbangkan pengaruh besaran dan konfigurasi medan listrik, morfologi filler, dan aspek rasio terhadap proses alignment. Waktu karakteristik pembentukan jaringan selaras dibandingkan dengan prediksi pemodelan. Waktu rotasi carbon nanotube dan graphite nanoplatelet diperkirakan menggunakan model analitik berdasarkan pendekatan medium efektif. Faktor depolarisasi yang berbeda diterapkan sesuai dengan geometri partikel dan medan listrik.

Nanokomposit padat dibuat dengan menggunakan medan listrik AC. Kami telah menyelidiki ketergantungan konsentrasi konduktivitas listrik dari nanoplatelet grafit / komposit epoksi menggunakan teknik dua probe. Ditetapkan bahwa sifat listrik komposit dengan distribusi pengisi acak dan selaras berbeda dengan nilai konduktivitas pada konten pengisi tertentu dan dibedakan oleh bentuk ketergantungan konsentrasi konduktivitas untuk pengisi dengan morfologi yang berbeda. Perbedaan ini dijelaskan dalam hal perkolasi dinamis dan pembentukan berbagai jaringan konduktif:dirantai dalam kasus nanoplatelet grafit dan kerangka bersilangan dalam kasus pengisi nanotube karbon.

Latar Belakang

Sifat yang dapat disesuaikan menyediakan aplikasi bahan komposit berbasis karbon konduktif di banyak industri sebagai komponen elektronik dan konstruksi:dalam mikroelektronika, disipasi elektrostatik, pada fabrikasi perisai elektromagnetik, untuk struktur pesawat terbang, dll. [1,2,3,4]. Mereka tidak menimbulkan korosi seperti logam tetapi memiliki kekuatan, berat, dan kisaran nilai konduktivitas yang sesuai karena berbagai pengisi yang digunakan.

Partikel non-spherical lebih disukai sebagai pengisi komposit dari perspektif peningkatan konduktivitas listrik komposit [5,6,7]. Hal ini disebabkan nilai packing factor yang lebih rendah pada peningkatan aspek rasio partikel [8], yang merupakan parameter model perkolasi statistik. Oleh karena itu, pengembangan komposit dengan carbon nanotubes (CNTs) dan graphite nanoplatelets (GNPs) yang dicirikan oleh nilai aspek rasio yang tinggi (10¹ –10⁴ ) [9], sebagai pengisi, adalah arah yang sangat menjanjikan. Selain anisotropi geometris, CNT dan GNP dibedakan oleh anisotropi sifat fisik. Tetapi pada distribusi acak pengisi pada komposit, anisotropi partikel pengisi individu dikompensasi. Selain itu, pada distribusi pengisi acak, sebagian besar terkonsentrasi di apa yang disebut cabang "kosong" dari jaringan konduktif yang terpisah dari jaringan keseluruhan. Kehilangan ini sangat besar pada kandungan filler yang rendah dalam komposit.

Pengomposan ulang pengisi dan distribusi spasial spesifiknya memungkinkan diperolehnya komposit dengan ambang perkolasi rendah yang mengurangi biaya material. Metode preparasi komposit yang paling populer dengan distribusi pengisi anisotropik adalah pemaparan campuran komposit cair ke medan elektromagnetik dan penerapan tekanan mekanis. Di antara kelemahan metode pelurusan pengisi dengan menggulung, tegangan geser adalah kemungkinan pecah dan hancurnya nanopartikel karbon di bawah paparan tersebut [10]. Penjajaran yang diinduksi medan magnet membutuhkan penambahan komponen magnetik pada komposit [11]. Dengan demikian, penyelarasan dengan bantuan medan listrik dari pengisi dalam komposit adalah metode yang paling menjanjikan dari pembentukan komposit anisotropik dari sudut pandang banyak kelompok penelitian [12, 13].

Tetapi sebagian besar karya yang disajikan tentang penyelarasan berbantuan medan listrik dikhususkan untuk nanotube karbon yang tertanam dalam matriks polimer [14,15,16,17,18]. Pengaruh morfologi partikel pengisi pada proses penyelarasan sangat kurang berkembang baik dalam studi teoritis dan eksperimental [19,20,21]. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh morfologi filler pada proses pembentukan komposit sejajar dan untuk mengidentifikasi dan menjelaskan perbedaan ketergantungan konsentrasi konduktivitas listrik komposit dengan distribusi GNP acak dan sejajar.

Metode

Materi

Berdasarkan resin epoksi Larit 285 (Lange Ritter GmbH, Jerman), bahan komposit dibuat dan diselidiki dalam penelitian ini. Pada keadaan awal, polimer ini terdiri dari dua komponen dan terdiri dari epoksi cair dan pengeras yang sesuai H 285. Viskositas rendah dari resin bekas (600 900 mPa × s pada 25 °С) dan pengeras (50 100 mPa × s pada 25 °С) memungkinkan penggunaan dampak medan listrik eksternal untuk pembuatan material komposit berdasarkan bahan tersebut.

Bahan berikut digunakan sebagai pengisi untuk sistem komposit fabrikasi:

Tabung nano karbon multiwall (MWCNTs) (Tabung Murah Ins, AS);
Nanoplatelet grafit (GNP).

GNP diperoleh dengan dispersi ultrasonik (dalam media aseton selama 3 jam) grafit terkelupas termal yang merupakan produk yang dihasilkan dari perlakuan termo-kimiawi grafit terdispersi. Proses pembuatan GNP dijelaskan secara rinci di [22].

Tabel 1 berisi parameter pengisi yang digunakan. Dimensi dan bentuknya diperkirakan dengan menggunakan AFM, SEM, dan mikroskop optik dalam makalah kelompok penelitian kami [23, 24]. Partikel GNP dan MWCNT dibedakan berdasarkan bentuk, ukuran dan, oleh karena itu, rasio aspek. Tabel 1 memuat parameter karakteristik partikel terbesar, terkecil, dan rata-rata. Partikel ditandai "maks", "min", dan "rata-rata" dengan nilai rasio aspeknya. Mengevaluasi massa partikel menunjukkan bahwa kerapatan ρ (MWCNT) =1,8 g/cm³ [25], ρ (GNP) =2,23 g/cm³ , sebagai densitas grafit monokristalin.

Fabrikasi Komposit

Sampel komposit yang disiapkan mengandung konsentrasi GNP yang berbeda sebagai pengisi (0,05, 0,5, 0,7, 1, 2, 3, 4, 5% berat). Satu jenis sampel memiliki distribusi pengisi yang acak, dan yang lainnya, GNP disejajarkan oleh medan listrik eksternal.

Metode preparasi sistem komposit adalah sebagai berikut. Mula-mula, sejumlah pengisi karbon yang diperlukan dituangkan ke dalam matriks polimer pra-larut dan dicampur secara mekanis. Setelah itu, campuran tersebut terkena dispersi ultrasonik untuk distribusi pengisi yang lebih baik dalam matriks epoksi. Dispersi dilakukan pada penangas ultrasonik aku-9050 dengan frekuensi 40 kHz dan daya keluaran maksimum 50 W. Campuran komposit dipapar dengan aksi ultrasonik selama 30 menit pada 50 W, setelah itu ditambahkan pengeras 285 pada komposit yang dihasilkan. campuran dalam perbandingan 100/40 massa dengan berat Larit 285.

Akhirnya, untuk komposit dengan fabrikasi distribusi filler sejajar, sebagian campuran komposit yang diperoleh dituangkan ke dalam cetakan plastik yang ditempatkan di antara pelat kapasitor. Tegangan AC dengan frekuensi 15 kHz dan besarnya 2000 V diterapkan pada pelat. Sumber tegangan tinggi dengan kemampuan membangkitkan tegangan AC pada frekuensi 15 kHz dan besaran pada kisaran sampai dengan 2000 V atau tegangan DC dengan besaran pada kisaran sampai dengan 2000 V digunakan sebagai sumber medan listrik. Besarnya medan listrik dikendalikan oleh voltmeter universal 7-16А.

Dalam memilih frekuensi medan listrik AC, kami mengingat dua hal:(1) frekuensi harus cukup tinggi sehingga waktu penyelarasan nanopartikel karbon akan menjadi waktu pengerasan epoksi; (2) frekuensi harus cukup rendah untuk mengamati dinamika pelurusan nanopartikel dalam medan listrik. Mengingat pertimbangan ini, kami telah melakukan pembentukan komposit pada frekuensi 15 kHz.

Bagian lain dari campuran komposit dibiarkan tanpa pengaruh medan listrik eksternal.

Setelah ditahan pada suhu kamar, cetakan dengan sampel komposit menjadi sasaran perlakuan panas pada peningkatan suhu bertahap dari 40 hingga 80 °C, yang meningkat pada 10 °C setiap jam. Hal ini dilakukan untuk melengkapi proses polimerisasi komposit.

Mikroskopi Optik

Investigasi karakter distribusi bahan pengisi karbon dalam matriks epoksi di bawah perlakuan medan listrik dilakukan untuk komposit dengan kandungan pengisi karbon 0,05 wt%. Hal ini dilakukan dengan mikroskop optik stereoskopik BS-1 yang dilengkapi dengan kamera digital Etrek DCM-510. Pengaturan ini memberikan kesempatan untuk mengamati secara online epoksi cair dengan nanopartikel karbon terdispersi di bawah pengaruh medan listrik. Konfigurasi percobaan dijelaskan secara rinci dalam [26, 27]. Serangkaian pengamatan optik dari komposit MWCNTs/− dan GNPs/Larit 285 dilakukan secara real time dengan mensuplai elektroda dengan tegangan AC 15 kHz atau tegangan DC dan mengubah nilai magnitudo medan listrik.

Pengukuran Sifat Listrik

Konduktivitas listrik dari komposit yang diselidiki diukur dengan metode dua probe standar dalam mode DC pada suhu kamar dengan batas pengukuran hambatan listrik 10¹⁰ ohm. Lebih tinggi dari 10¹⁰ ohm, resistansi diukur menggunakan teraommetri 6-13. Sampel untuk pengukuran disiapkan dalam bentuk paralelepiped biasa dengan dimensi 5,0 × 4,0 × 4,0 mm³ .

Pemodelan

Persamaan dimana waktu karakteristik rotasi partikel karbon di bawah aksi medan listrik diperkirakan diselesaikan dengan menggunakan paket matematika Maple 13.

Hasil dan Diskusi

Pengamatan Optik

Gambar berikut menunjukkan foto optik permukaan material komposit GNPs/Larit 285 (Gbr. 1 dan 2) dan MWCNTs/Larit 285 (Gbr. 3 dan 4) [26] dengan kandungan filler rendah (0,05 wt%) pada aksi medan listrik AC.

Gambar optik dari pembentukan "kerusakan" listrik dalam komposit 0,05 wt% GNPs/Larit 285 di bawah aksi medan listrik AC kekuatan 36 kV/m, frekuensi 15 kHz (elektroda tertanam):a —sebelum aksi medan listrik; b —setelah 100 detik; c —setelah 140 detik; d —setelah 160 s aksi medan listrik. Ukuran gambar 10,8 × 8,0 mm²

Gambar optik komposit 0,05 wt% GNP/Larit 285 di bawah aksi medan listrik AC (frekuensi 15 kHz, kekuatan 167 kV/m) (dalam kapasitor):а— sebelum aksi medan listrik; b —setelah 12 menit; c —setelah 26 menit; d —setelah 60 menit aksi medan listrik. Ukuran gambar 10,8 × 8,0 mm²

Gambar optik 0,05 wt.% MWCNTs/Larit 285 komposit di bawah aksi medan listrik AC (frekuensi 15 kHz, kekuatan 83,3 kV/m) (elektroda tertanam):a – sebelum aksi medan listrik; b – setelah 12 menit; c – setelah 26 menit; d – setelah 60 menit aksi medan listrik. Ukuran gambar 10,8 × 8,0 mm² [26]

Gambar optik 0,05 wt% MWCNTs/Larit 285 komposit di bawah aksi medan listrik AC (frekuensi 15 kHz, kekuatan 50 kV/m) (elektroda tertanam):а —sebelum aksi medan listrik; b —setelah 12 menit; c —setelah 26 menit; d —setelah 60 menit aksi medan listrik. Ukuran gambar 10,8 × 8,0 mm² [26]

Diproses dengan medan listrik AC, komposit menjadi lebih transparan dengan bertambahnya waktu aksi medan listrik karena gerakan pengisi ke arah saluran listrik dari medan listrik eksternal. Juga diamati bahwa dengan bertambahnya waktu aksi medan listrik, struktur pengisi karbon yang selaras melebar dan beberapa jarak muncul di antara mereka. Ini mungkin karena interaksi Van der Waals dari nanopartikel karbon. Dengan cara ini, rantai pengisi nanokarbon dengan distribusi tertentu terbentuk dalam komposit.

Seperti terlihat pada Gambar 1, untuk komposit GNPs/Larit 285 dalam konfigurasi elektroda tertanam, aksi medan listrik AC memanifestasikan dirinya dalam penciptaan jalur konduktif utama, yang menutup suplai dengan elektroda tegangan eksternal dan menyebabkan aliran arus amplitudo tinggi melalui sampel komposit. Oleh karena itu, penyelarasan GNP di Larit 285 dilakukan oleh set eksperimental ketika komposit ditempatkan di antara pelat kapasitor. Gambar 2 menunjukkan bahwa konfigurasi pengaturan eksperimental seperti itu di mana aliran arus melalui sampel tidak mungkin memungkinkan diperolehnya rantai GNP yang selaras secara konsisten dalam matriks polimer.

Pada perlakuan komposit MWCNTs/Larit 285 dengan medan listrik AC, juga diamati pembentukan elongasi searah rantai medan listrik. Rantai yang berbeda menjadi lebih tebal ketika waktu paparan medan AC meningkat. Namun karakteristik waktu pembentukan rantai sejajar pada komposit MWCNT/epoksi adalah menit sedangkan pada komposit GNP/epoksi adalah detik pada konfigurasi elektroda tertanam. Selain itu, karena bentuk dan ukuran GNP, distribusi pengisi yang selaras dalam komposit GNP/epoksi dapat terbentuk pada medan listrik AC yang lebih kecil daripada di komposit MWCNT/epoksi. Namun di sisi lain karena mobilitas GNP karena bentuk dan ukurannya dibandingkan dengan MWCNT, pembentukan komposit massal dengan pengisi GNP menjadi rumit. Jaringan GNP yang selaras cenderung rusak segera setelah medan listrik dimatikan jika komposit belum terpolimerisasi sepenuhnya.

Saat mempertimbangkan semua gambar optik jaringan selaras di bawah pembentukan medan listrik AC di komposit GNP/− dan MWCNT/epoksi, kita dapat menyimpulkan bahwa dalam kondisi yang sama ketika hanya mengubah jenis pengisi karbon, jaringan yang selaras terbentuk lebih cepat di GNP/epoksi gabungan. Dalam kasus MWCNTs, kecenderungan mereka untuk aglomerasi mencegah penyelarasan efektif ke arah medan listrik yang diterapkan. Perlu dicatat bahwa medan DC tidak efektif untuk pembentukan jaringan selaras dalam komposit [26].

Untuk menjelaskan pengamatan dengan mikroskop optik kekhasan penyelarasan berbantuan medan listrik pengisi morfologi yang berbeda, waktu karakteristik rotasi nanopartikel karbon dalam matriks epoksi di bawah aksi medan listrik AC secara teoritis diperkirakan.

Pemodelan Penjajaran Partikel Karbon dalam Medium Viscous

Mekanisme komposit dengan distribusi spasial tertentu metode pembentukan pengisi adalah bahwa setiap nanopartikel karbon yang tertanam dalam matriks dielektrik mengalami polarisasi di bawah aksi medan listrik AC karena polarisasi antarmuka antara polimer dan partikel. Umumnya, momen polarisasi dan vektor medan listrik adalah noncollinear karena anisotropi nanopartikel. Oleh karena itu, ketika medan listrik diaktifkan, terjadi torsi yang mengarah pada rotasi nanopartikel karbon ke arah medan. Diketahui bahwa gerak rotasi suatu partikel dalam hal ini digambarkan dengan persamaan berikut [16]:

$$ I\frac{d^2\varTheta }{dt^2}+{T}_{\eta }+{T}_{\mathrm{align}}=0 $$ (1)

dimana Aku adalah momen inersia nanopartikel karbon; Θ adalah sudut antara partikel dan arah medan listrik; T _η adalah torsi redaman; $ {T}_{\mathrm{align}}\approx \left[\overrightarrow{\mu}\times \overrightarrow{E}\right] $ adalah torsi yang diinduksi medan; $ \overrightarrow{\mu}=f\left(\varepsilon, {\sigma}_1,{\sigma}_2,v\right) $ adalah momen polarisasi yang bergantung pada nilai konstanta dielektrik ( ) dan konduktivitas (σ ₁ , σ ₂ ) dari nanopartikel dan matriks; v = f (m , l , d ) adalah volume nanopartikel karbon yang bergantung pada beratnya (m ) dan dimensi (l , d ).

Umumnya, momen polarisasi $ \overrightarrow{\mu} $ sebanding dengan medan luar $ \overrightarrow{E} $ dan volume partikel ν dan ditentukan oleh rumus [28]:

$$ \overrightarrow{\mu}={\varepsilon}_0{\varepsilon}_m\beta \nu \overrightarrow{E} $$

dimana ε ₀ adalah permitivitas ruang bebas, ε _m adalah konstanta dielektrik dari matriks, β adalah parameter tak berdimensi yang, khususnya, bergantung pada bentuk inklusi. Dalam [28], rumus β untuk cakram dan silinder konduktif yang ideal diberikan:

$$ {\beta}_{\perp}^{\mathrm{disk}}=\frac{\sigma_p-{\sigma}_m}{\sigma_p},\kern1em {\beta}_{II}^{\ mathrm{disk}}=\frac{\sigma_p-{\sigma}_m}{\sigma_m}; $$ $$ {\beta}_{\perp}^{\mathrm{silinder}}=\frac{2\left({\sigma}_p-{\sigma}_m\right)}{\sigma_p+{\sigma }_m},\kern1em {\beta}_{II}^{\mathrm{silinder}}=\frac{\sigma_p-{\sigma}_m}{\sigma_m}. $$

Dari dependensi ini maka $ {\overrightarrow{\mu}}_{II}\ne {\overrightarrow{\mu}}_{\perp } $ (II berarti ko-arah sumbu panjang partikel dan arah medan, —tegak lurus). Jadi, untuk GNP dan MWCNT, $ {\overrightarrow{\mu}}_{II}>{\overrightarrow{\mu}}_{\perp } $ karena bentuk dan propertinya.

Untuk mengevaluasi waktu karakteristik rotasi partikel karbon di bawah aksi medan listrik dan penyelarasannya dengan arah medan Persamaan. (1) dengan kondisi awal Θ (t = 0) = Θ ₀ , $ \frac{d\varTheta }{dt}\left(t=0\right)=0 $ diselesaikan. Menurut [16], suku-suku dalam persamaan utama gerak adalah sebagai berikut:

$$ {T}_{\eta }=8\pi \eta \nu \frac{d\varTheta }{dt}, $$ $$ {T}_{\mathrm{align}}=\frac{1} {4}{\nu \varepsilon}_m\operatorname{Re}\left[{\alpha}^{\ast}\right]{E}^2 Sin2\varTheta, \pm $$

di mana $ {\alpha}^{\ast }=\left({\left({\varepsilon}_p^{\ast }-{\varepsilon}_m^{\ast}\right)}^2\right) /\left(\left[{\varepsilon}_m^{\ast }+\left({\varepsilon}_p^{\ast }-{\varepsilon}_m^{\ast}\right){L}_x\ right]\left({\varepsilon}_p^{\ast }+{\varepsilon}_m^{\ast}\right)\right) $ adalah kemampuan polarisasi, $ {\varepsilon}_{m,p} ^{\ast }={\varepsilon}_{m,p}-j\frac{\sigma_{m,p}}{\omega } $, dan ε _{m , p} , σ _{m , p} adalah konstanta dielektrik dan konduktivitas medium dan partikel, ω = 2πf , f —frekuensi medan listrik.

Untuk menentukan faktor depolarisasi karbon nanotube dan nanoplatelet grafit, mereka harus dianggap sebagai partikel dengan bentuk tertentu (Gbr. 5). MWCNT dapat dianggap sebagai ellipsoid saja. Elipsitas MWCNT dalam pendekatan ellipsoid adalah $ e=\sqrt{1-{\left(2{r}_0/l\right)}^2} $. GNP dapat dianggap sebagai spheroid atau ellipsoid. Elipsitas GNP dalam pendekatan ellipsoid adalah $ e=\sqrt{1-{\left(h/2R\right)}^2} $ dan dalam pendekatan spheroid adalah $ e=\left(2R/h\ kanan)\sqrt{1-{\left(h/2R\kanan)}^2} $. Kemudian ekspresi faktor depolarisasi mengambil bentuk berikut [28].

Gambar skema tabung nano karbon (a ) dan nanoplatelet grafit (b )

Untuk elipsoid:

$$ {L}_x=\frac{1-{e}^2}{e^3}\left( Arth\kern0.5em e-e\right). $$

Untuk bola:

$$ {L}_x=\frac{1+{e}^2}{e^3}\left(e- \arctan \kern0.5em e\right),\kern2.5em {L}_x+2{ L}_R=1. $$

Dalam persamaan di atas, L _x adalah faktor depolarisasi jika medan eksternal diterapkan sepanjang x -sumbu (seperti pada Gambar 5), L _R adalah faktor depolarisasi jika medan eksternal diterapkan sepanjang radius GNP.

Dengan menggunakan faktor depolarisasi secara seri, ekspresi di atas berbentuk sebagai berikut.

Untuk MWCNT berbentuk elips:

$$ {L}_x=\frac{4{r}_0^2}{l^2}\left[ \ln \left(\frac{l}{r_0}\right)-1\right] $$ ( 2)

Untuk GNP elipsoidal:

$$ {L}_x=\frac{h^2}{4{R}^2}\left[ \ln \left(\frac{4R}{h}\right)-1\right] $$ (3 )

Untuk GNP sferis:

$$ {L}_x\approx 1-\frac{h\left(8\pi {R}^2-16hR+3\pi {h}^2\right)}{32{R}^3} $$ (4) $$ {L}_R\approx \frac{h\left(8\pi {R}^2-16hR+3\pi {h}^2\right)}{64{R}^3} $ $ (5)

Selain itu, untuk menyoroti kekhasan morfologi partikel, volume CNT ditanyakan sebagai volume silinder berongga \( \nu =\pi l\left({r}_0^2-{r}_i^2\kanan) \ ), sedangkan volume GNP ditanyakan sebagai volume disk ν = πR ² h .

Momen inersia karbon nanotube diambil sebagai $ I=\frac{ml^2}{12} $—momen inersia batang tipis lurus dengan panjang l dan massa m , sumbu rotasi tegak lurus terhadap batang dan melewati pusat massanya. Momen inersia nanoplatelet grafit diambil sebagai $ I=\frac{mR^2}{2} $—momen inersia piringan, dengan jari-jari R , dan massa m , piringan berputar tegak lurus terhadap sumbu bidangnya.

Kemudian dengan menggunakan semua pendekatan di atas dan pengaturan parameter numerik, perhitungan perubahan sudut kemiringan partikel morfologi yang berbeda relatif terhadap arah medan dengan waktu perlakuan medan listrik AC dilakukan.

Mendasarkan pada kertas [29] di mana dependensi konsentrasi eksperimental bagian nyata dan kompleks dari permitivitas dielektrik komposit dengan grafit halus dan nanotube karbon dijelaskan oleh rumus dan persamaan Nielsen.

$$ {\varepsilon}_{CNT}^{\ast }=62.2\hbox{--} 12.4\times i,\kern1em {\varepsilon}_c^{\ast }=34.3\hbox{--} 13.4\ kali saya $$

diberikan, dalam perhitungan kami untuk GNP ε _{p (GNP )} =34.3, dan untuk MWCNT, ε _{p (CNT )} =62.2 diambil.

Parameter geometris partikel diambil dari Tabel 1. Mengenai parameter numerik lain yang digunakan, dinyatakan bahwa ε ₀ =8,85 × 10⁻¹² F/m, η =0,75 Pa × s, f =15 kHz, ε _m =2.8ε ₀ [30], σ _m =10⁻⁶ sm/m [16]. Konduktivitas partikel karbon individu diambil sebagai σ _{p (CNT )} =10⁵ Sm/m [31], σ _{p (GNP )} =10⁵ Sm/m [32, 33]_.

Gambar 6 menunjukkan sudut kemiringan partikel relatif terhadap arah ketergantungan medan yang diterapkan dari waktu aksi medan ketika L _x dievaluasi oleh Persamaan. (2) dan (3). Hasilnya ditemukan untuk dua nilai kuat medan:1 kV/m (Gbr. 6а) dan 36 kV/m (Gbr. 6b) dengan asumsi partikel hampir tidak teratur pada saat awal (Θ (t = 0) = π /2.05).

Evolusi sudut kemiringan partikel pengisi karbon relatif terhadap arah medan diperkirakan dalam pendekatan ellipsoid untuk kuat medan listrik AC 1 kV/m (a ) dan 36 kV/m (b )

Ada korelasi yang jelas antara rasio aspek partikel dan waktu penyelarasan oleh medan listrik. Yaitu, waktu maksimum untuk penyelarasan adalah untuk partikel dengan rasio aspek terendah (GNP_min ). Untuk GNP_maks dan CNT_maks , waktu penyelarasan hampir sama, dan waktu penyelarasan yang sama adalah untuk GNP_rata dan CNT_min .

Gambar 7 menunjukkan nilai faktor depolarisasi yang diestimasi dengan Persamaan. (2) dan (3) untuk GNP dan MWCNT. L _x adalah faktor geometris dan tidak bergantung pada nilai absolut semi-sumbu ellipsoid yang disimulasikan tetapi pada rasionya. Jadi, L _x adalah fungsi langsung dari rasio aspek partikel.

Faktor depolarisasi untuk GNP dan MWCNT dievaluasi dengan Persamaan. (2) dan (3)

Artinya, faktor depolarisasi adalah parameter utama masalah. Karena ekspresinya bergantung pada morfologi partikel dan ukuran, waktu karakteristik rotasi GNP dan MWCNT berbeda.

Gambar 8 isi analog dengan Gambar. 6 ketergantungan sudut kemiringan GNPs relatif terhadap arah bidang yang diterapkan pada waktu aksi lapangan ketika L _R dievaluasi oleh Persamaan. (5). Hasilnya ditemukan untuk dua nilai kuat medan:1 kV/m (Gbr. 8а) dan 36 kV/m (Gbr. 8b) dengan asumsi partikel hampir tidak teratur pada saat awal (Θ (t = 0) = π /2.05) Sebagai perbandingan, hasil perhitungan ketergantungan sudut untuk MWCNT (L _x dievaluasi oleh Persamaan. (2)) diperkenalkan pada grafik yang sama.

Evolusi sudut kemiringan partikel pengisi karbon relatif terhadap arah medan diperkirakan dalam pendekatan ellipsoid untuk MWCNT dan dalam pendekatan spheroid untuk GNP pada kuat medan listrik AC 1 kV/m (a ) dan 36 kV/m (b )

Gambar 9 menunjukkan ketergantungan sudut kemiringan GNP relatif terhadap arah medan yang diterapkan pada waktu aksi medan dalam perkiraan bahwa GNP adalah spheroid dengan faktor depolarisasi (4). Evaluasi dilakukan untuk kuat medan listrik AC 1 kV/m (Gbr. 9а) dan 36 kV/m (Gbr. 9b) dengan asumsi bahwa pada saat awal partikel kurang teratur (Θ (t = 0) = π /2.05).

Evolusi sudut kemiringan GNPs relatif terhadap arah medan diperkirakan dalam pendekatan spheroid (L _x diambil oleh Persamaan. (4)) pada kuat medan listrik AC 1 kV/m (a ) dan 36 kV/m (b )

Dari analisis data yang disajikan pada Gambar 9, kesimpulan berikut dibuat:pertama, jika kita mengasumsikan bahwa sumbu medan listrik searah dengan x -sumbu GNP, waktu rotasi meningkat secara signifikan dibandingkan dengan perhitungan dalam kasus sumbu medan dan kodirection radius GNP. Dan perilaku ini terlepas dari rasio aspek GNP. Kedua, arah ketergantungan minimal berbeda untuk partikel dengan rasio aspek yang berbeda, dan pada titik waktu proses tertentu, partikel yang lebih selaras adalah partikel dengan rasio aspek minimum GNP_min sedangkan GNP_rata-rata dan GNP_maks sudut bertepatan. Perilaku ini disebabkan oleh nilai faktor depolarisasi yang mendekati 1 untuk kasus di atas.

Dengan demikian, estimasi telah menunjukkan bahwa waktu rotasi partikel karbon di bawah aksi medan listrik AC bergantung pada morfologi dan rasio aspeknya. Perhatikan bahwa model menganggap satu partikel tertanam dalam matriks polimer sementara dalam komposit, kami memiliki kumpulan partikel dengan sudut kemiringan awal yang berbeda. Itulah salah satu alasan mengapa waktu karakteristik nyata dari keseluruhan pembentukan jaringan mungkin sangat berbeda dari waktu yang diperkirakan.

Selain itu, sulit untuk mencapai distribusi MWCNT seperti itu dalam campuran komposit di mana setiap tabung individu terjerat. Diketahui bahwa nanotube karbon cenderung kusut karena interaksi permukaannya. Oleh karena itu, waktu nyata MWCNT dalam penyelarasan campuran komposit secara signifikan lebih tinggi daripada yang diperkirakan secara teoritis. Selain itu, viskositas campuran komposit dengan kandungan MWCNTs yang sama lebih tinggi daripada viskositas campuran komposit dengan GNPs. Semua faktor ini mencegah penyelarasan MWCNT yang begitu cepat dalam komposit seperti yang diperkirakan.

Sifat Listrik Komposit Padat

Dalam penelitian ini, nilai resistivitas komposit GNPs/Larit 285 yang dibuat dengan distribusi pengisi sejajar dan acak dalam matriks epoksi ditemukan secara eksperimental. Gambar 10 menyajikan ketergantungan konsentrasi konduktivitas listrik komposit GNPs/Larit 285 dengan distribusi pengisi yang selaras dan acak. Sifat kelistrikan sampel komposit diselidiki secara longitudinal dan tegak lurus terhadap arah medan listrik fabrikasi komposit yang diterapkan. Gambar 11 menyajikan ketergantungan konsentrasi konduktivitas untuk komposit MWCNTs/Larit 285 (а) [27] dan GNPs/Larit 285 (b) dalam skala log-log.

Ketergantungan konsentrasi konduktivitas listrik komposit GNPs/Larit 285 dengan distribusi pengisi sejajar dan acak dalam skala logaritmik

Ketergantungan konsentrasi konduktivitas MWCNTs/Larit 285 (а ) [27] dan GNP/Larit 285 (b ) dalam skala log-log

Nilai konduktivitas terendah σ sesuai dengan sampel resin epoksi tanpa pengisi (konduktivitas 10⁻¹¹ sm/m). Dengan penambahan GNP ke komposit, konduktivitasnya meningkat dan mencapai nilai σ =10⁻⁶ Sm/m (this value is considered as percolation level) at GNPs content с in composite of φ _с =2 wt% for the composites with random filler distribution. For the GNPs/Larit 285 composites with aligned filler distribution, percolation concentration is of φ _с =0.84 wt%. Thus, materials of the identical composition are characterized by different values of percolation threshold depending on the method of preparation and filler distribution in the polymer matrix (aligned or random).

Conductivity of GNPs/Larit 285 composites smoothly increases with the increment of GNPs content for both types of the samples while the shape of the dependence is completely different for the MWCNTs/Larit 285 composites obtained by the same method [27] (see Fig. 11). Concentration dependence of conductivity of MWCNTs/Larit 285 composites increases with the increment of MWCNTs content at low filler content until it reaches a plateau, then conductivity increases again. Such a difference of conductivity concentration dependence can be explained by another process of conductive network formation if the fillers are of different morphology. MWCNTs/epoxy composites are characterized by crossed framework structure formation while in GNPs/epoxy composites chained structure appears. GNPs addition to the polymer matrix smoothly increases the number of conductive links in composite. In case of entangled by themselves frame MWCNTs, there is an area where nanotubes addition to the matrix has little effect on its conductivity.

Statistical percolation model operates with probabilities of particles in composite to create a conductive chain at their certain content. As it was shown in our paper, manufactured with electric field treatment, composites become conductive at lower content of carbon filler due to activation of dynamic percolation which is a phenomenon when conductive chain formation is stimulated by external influences at such a content of conductive particles in composite which is not enough for statistical percolation.

It should be noted that the existence of two types of percolation transitions is a characteristic feature of composite materials which are in low-viscosity state during the manufacture [34]. The higher value of percolation concentration cannot be changed by varying the manufacturing conditions of the composite since it is defined by statistical percolation theory. Statistical percolation threshold is defined by the filler type, its aspect ratio, surface state of polymer and filler, wettability, uniformity of filler distribution, and its content in polymer matrix. As we have shown, dynamical percolation threshold can be shifted by activating of filler particle movement in polymer matrix, by electric field action, and, thus, promoting a conductive network formation. The value of dynamic percolation threshold can be changed with method of composite manufacture change. We have established that in case of filler alignment under electric field action, dynamical percolation threshold is defined not only by the above parameters but also by parameters of the applied field and polymer matrix viscosity, filler morphology.

Conclusions

1.
Nanocarbon-polymer composite material with aligned distribution of graphite nanoparticles in epoxy matrix has been produced by exposing to a high-voltage AC electric field. The influence of electric field treatment time, strength, and configuration of electric field on formation of aligned GNPs network in liquid polymer medium was investigated by optical microscopy.
2.
It was shown that the influence of AC electric field at composite fabrication process leads to the manifestation of two types of percolation transitions:statistical and dynamic ones. In addition, the aspect ratio of the filler particles and the character of the formation of the conducting cluster, depending on the shape of the particles, determine the shape of the σ =f(c) dependence and the critical concentration of both dynamic and statistical percolation thresholds.
3.
The effects of the morphology of the filler particles on the process of nanocarbon alignment in polymer matrix under AC electric field have been investigated by estimating of carbon nanotube and graphite nanoplatelet rotation time using an analytical model based on effective medium approach. The theoretical evaluation of characteristic time of carbon nanoparticle of different morphology rotation under AC electric field action have shown that rotation time of carbon nanoparticle is determined by its depolarization factor which in turn depends directly on the aspect ratio of particle.
4.
The investigation of concentration dependences of conductivity of composites GNPs/Larit 285 with aligned by AC electric field action filler distribution and random filler distribution in epoxy matrix have shown that under AC electric field action composites, percolation threshold decreases essentially from ϕ _c =2 wt% for composites with random filler distribution of GNPs to ϕ _c =0.84 wt% for the obtained under AC electric field action GNPs/Larit 285 composites.

Singkatan

AC:: Alternative current
AFM:: Atomic force microscopy
CNTs:: Carbon nanotubes
DC:: Direct current
GNPs:: Graphite nanoplatelets
MWCNTs:: Multiwall carbon nanotubes
SEM:: Pemindaian mikroskop elektron

Investigasi Teoretis Kawat Nano Germanium Regangan Biaxially Tensile Fabrikasi High-Throughput dari Nanofibers Berkualitas Menggunakan Electrospinning Permukaan Bebas yang Dimodifikasi

bahan nano