Penyelarasan Pengisi Nanokarbon yang Diinduksi Medan Listrik dalam Komposit Epoxi: Pengaruh terhadap Konduktivitas Listrik
Abstrak
Kami melaporkan penyelarasan nanopartikel karbon—nanoplatelet grafit (GNP) dan nanocarbon multi-dinding (MWCNT)—dalam matriks epoks rendah viskositas menggunakan medan listrik arus bolak-balik (AC). Mikroskopi optik, pengukuran listrik, dan pemodelan analitik digabungkan untuk menilai bagaimana kekuatan medan, geometri, morfologi pengisi, dan rasio aspek mempengaruhi kinestika penyelarasan dan perilaku perkolasi. Penyelarasan GNP tercapai dalam hitungan detik dengan kekuatan medan listrik seendah 36 kV m⁻¹, sedangkan MWCNT membutuhkan beberapa menit. Komposit GNP yang diselaraskan menunjukkan ambang perkolasi dinamis sebesar 0,84 wt %, hampir separuh dari ambang 2,0 wt % yang diamati untuk pengisi yang terdistribusi secara acak. Temuan kami menunjukkan bahwa penyelarasan yang dibantu medan listrik dapat secara signifikan menurunkan ambang perkolasi dan meningkatkan konduktivitas dalam polimer terisi nanokarbon.
Latar Belakang
Komposit karbon konduktif tidak dapat dipisahkan dalam mikroelektronika, penyaringan elektromagnetik, struktur penerbangan ruang, dan lainnya. Mereka menggabungkan daya tahan korosi, kekuatan tinggi, densitas rendah, dan konduktivitas yang dapat disesuaikan dengan mengubah jenis pengisi, pemuatan, dan dispersi. Pengisi non-sferik seperti CNT dan GNP terutama efektif karena rasio aspek tinggi mereka mengurangi faktor kemasan dan mempercepat perkolasi, seperti yang diprediksi oleh model perkolasi statistik.
Namun, dispersi acak sering kali membiarkan banyak pengisi dengan rasio aspek tinggi terjebak di cabang "buntu" dari jaringan konduktif, yang membatasi performa pada pemuatan rendah. Menyelaraskan pengisi di bawah stimuli eksternal—listrik, magnetik, atau mekanik—dapat membentuk jalur berkelanjutan dan menurunkan ambang perkolasi. Penyelarasan mekanik dapat merusak struktur nanokarbon yang halus; penyelarasan magnetik memerlukan komponen magnetik tambahan. Penyelarasan medan listrik therefore menarik: ini tidak berkontak, bekerja pada polarabilitas intrinsik pengisi, dan tidak memerlukan aditif.
Sebagian besar studi tentang penyelarasan medan listrik telah berfokus pada CNT; pengaruh morfologi pengisi terhadap kinestika penyelarasan dan konduktivitas masih kurang dipahami. Pekerjaan ini menginvestigasi bagaimana GNP dan MWCNT berperilaku di bawah medan listrik AC, mengkuantifikasi waktu penyelarasan melalui model medium efektif, dan mengaitkan temuan ini dengan konduktivitas yang diukur.
Metode
Bahan
Resin epoksi Larit 285 (Lange Ritter GmbH) digunakan dalam bentuk dua komponen (epoks cair + hardener H 285). Viskositas resin (600–900 mPa s) dan hardener (50–100 mPa s) pada 25 °C memungkinkan perlakuan medan listrik yang seragam. Pengisi adalah:
- CNT multi-dinding (Cheap Tubes Ins, USA)
- Nanoplatelet grafit (GNP) yang dihasilkan oleh dispersi ultrasonik grafit termal dieksfoliasi dalam aseton selama 3 jam (lihat [22]).
Tabel 1 mencantumkan dimensi pengisi (diperoleh melalui AFM, SEM, mikroskopi optik) dan densitas (ρ (CNT) = 1,8 g cm⁻³; ρ (GNP) = 2,23 g cm⁻³).
Pembuatan Komposit
Pemuatan pengisi bervariasi dari 0,05 hingga 5 wt %. Untuk setiap pemuatan, satu set dicampur secara mekanik dan disonikasi (Vaku-9050, 40 kHz, 50 W, 30 menit) sebelum menambahkan hardener dengan rasio massa 100/40 terhadap epoks. Set kedua diberi medan listrik AC (15 kHz, 2000 V puncak-ke-puncak) sementara campuran dicor ke cetakan yang ditempatkan antara plat kapasitor. Besarnya medan dipantau dengan voltmeter V7-16A. Medan diberikan selama waktu yang diperlukan untuk mencapai terpaut epoks (~10 menit). Sampel kemudian dikurangi secara bertahap dari 40 ke 80 °C (10 °C jam⁻¹).
Mikroskopi Optik
Pengcitraan real-time komposit 0,05 wt % dilakukan dengan mikroskop stereoskopik (MBS-1) dan kamera digital (Etrek DCM-510). Epoks cair dan pengisi yang terdistribusi diamati di bawah medan AC (15 kHz) dan DC sambil mengubah kekuatan medan.
Pengukuran Konduktivitas Listrik
Pengukuran DC dua-sond dilakukan pada suhu kamar. Sampel (5 × 4 × 4 mm³) diuji; resistensi >10¹⁰ Ω diukur dengan ohmmeter tera (E6-13). Konduktivitas σ dihitung dari resistensi yang diukur dan geometri sampel.
Pemodelan
Dinamika penyelarasan dimodelkan dengan menyelesaikan persamaan rotasi:
\[ I\frac{d^2\Theta}{dt^2}+T_{\eta}+T_{\text{align}}=0 \]
dimana I adalah momen inersia, T_η adalah momen viskos, dan T_align adalah momen medan listrik. Polarabilitas α* dan faktor depolarisasi L_x (elipsoid) dan L_R (sferoid) dihitung dari geometri partikel (lihat persamaan (2)–(5)). Integrasi numerik dilakukan di Maple 13 menggunakan parameter: η = 0,75 Pa s, ε_m = 2,8ε_0, σ_m = 10⁻⁶ S m⁻¹, f = 15 kHz, ε_p(CNT) = 62,2, ε_p(GNP) = 34,3, σ_p = 10⁵ S m⁻¹.
Hasil dan Pembahasan
Pengamatan Optik
Di bawah medan AC, komposit menjadi semakin transparan saat pengisi bermigrasi sepanjang garis medan, membentuk rantai. Dalam konfigurasi kapasitor (tidak ada jalur arus), rantai GNP tumbuh dengan cepat dalam hitungan detik, sedangkan rantai MWCNT membutuhkan menit. Penyelarasan lebih terlihat pada kekuatan medan yang lebih rendah untuk GNP karena rasio aspek dan polarabilitas yang lebih besar. Medan DC gagal menghasilkan jaringan yang diselaraskan, mengonfirmasi kebutuhan akan stimulasi AC.
Gambar 1–4 menunjukkan penyelarasan progresif untuk GNP dan MWCNT pada berbagai kekuatan medan (36, 167, 83,3, 50 kV m⁻¹). Pembentukan rantai yang cepat dalam komposit GNP berkaitan dengan waktu rotasi singkat yang diprediksi oleh model.
Pemodelan Kinestika Penyelarasan
Sudut kemiringan yang dihitung terhadap waktu (Gambar 6) menunjukkan bahwa waktu penyelarasan berbanding terbalik dengan rasio aspek. GNP_max dan CNT_max menyelaraskan dalam waktu yang sebanding, sedangkan GNP_min menyelaraskan paling lambat. Faktor depolarisasi (Gambar 7) mengonfirmasi bahwa L_x meningkat dengan menurunnya rasio aspek, memperlambat rotasi. Ketika medan selaras dengan sumbu panjang GNP (kasus L_R, Gambar 8), waktu rotasi menjadi lebih panjang lagi, menekankan pentingnya orientasi medan.
Model menunjukkan bahwa MWCNT, karena geometri silinder dan viskositas yang lebih tinggi, mengalami waktu penyelarasan yang lebih lama dibandingkan GNP, yang konsisten dengan pengamatan eksperimental.
Properti Listrik Komposit Padat
Gambar 10 menampilkan konduktivitas terhadap pemuatan pengisi untuk komposit GNP yang diselaraskan dan acak. Ambang perkolasi menurun dari 2,0 wt % (acak) menjadi 0,84 wt % (diselaraskan). Gambar 11 menunjukkan perilaku σ(c) yang berbeda untuk MWCNT (plat-form kemudian naik) versus GNP (kenaikan monotonik), yang mencerminkan topologi jaringan yang berbeda: kerangka bersilang untuk CNT dan struktur rantai untuk GNP.
Hasil ini mengonfirmasi bahwa penyelarasan medan listrik menginduksi transisi perkolasi dinamis, menurunkan pemuatan kritis dan meningkatkan konduktivitas. Ambang dinamis dapat disesuaikan dengan parameter medan, morfologi pengisi, dan viskositas matriks.
Kesimpulan
- Medan listrik AC tegangan tinggi menyelaraskan GNP dalam epoksi, membentuk rantai berkelanjutan yang terlihat melalui mikroskopi optik.
- Penyelarasan menurunkan ambang perkolasi sekitar 60% dibandingkan dispersi acak dan memperkenalkan transisi perkolasi dinamis.
- Waktu penyelarasan bergantung pada rasio aspek pengisi melalui faktor depolarisasi; GNP menyelaraskan lebih cepat daripada MWCNT dalam kondisi yang sama.
- Komposit GNP yang diselaraskan mencapai perkolasi pada 0,84 wt %, sedangkan komposit acak membutuhkan pemuatan 2,0 wt %.
Singkatan
- AC
- Arus bolak-balik
- AFM
- Mikroskopi gaya atom
- CNTs
- Nanocarbon
- DC
- Arus searah
- GNPs
- Nanoplatelet grafit
- MWCNTs
- Nanocarbon multi-dinding
- SEM
- Mikroskopi elektron pencitraan
