Synergiczny efekt poprawy przewodnictwa elektrycznego w hybrydowych nanokompozytach polimerowych z udziałem nanocząstek węglowych 1D i 2D

• Autorzy: Paszkiewicz S. , Rosłaniec Z.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.5.2

Warianty tytułu

EN

Synergic effect in the enhancement of the electrical conductivity of polymer hybrid nanocomposites containing 1D and 2D carbon nanofillers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy stosowano hybrydowe układy nanocząstek węglowych przewodzących prąd elektryczny do otrzymania nanomateriałów polimerowych na bazie żywic epoksydowych, poli(eteroimidów), poliestrów kondensacyjnych (PET, PTT) oraz blokowych elastomerów termoplastycznych (PTT–blok–PTMO). Oceniono wpływ dodatku nanorurek węglowych (jednościennych i wielościennych), nanowłókien węglowych, odmian grafenów oraz mieszaniny nanocząstek na właściwości elektryczne oraz możliwość uzyskania tzw. synergicznego efektu poprawy przewodnictwa elektrycznego. Celem badań było otrzymanie hybrydowych nanokompozytów polimerowych zawierających nanocząstki różniące się kształtem (1D oraz 2D), które ze względu duży współczynnik kształtu oraz dużą powierzchnię właściwą wykazują silną tendencję do aglomeracji. Otrzymane w procesie syntezy chemicznej osnowy polimerowej (in situ) hybrydowe nanokompozyty polimerowe charakteryzowały się dużym stopniem jednorodności struktury oraz polepszonymi właściwościami fizycznymi (znacznie niższe progi perkolacji w stosunku do np. kompozytów na osnowie żywicy epoksydowej czy polieteroimidowej). Efektywność polimeryzacji kondensacyjnej in situ w otrzymaniu nanomateriałów hybrydowych została oceniona w zastosowaniu do nanokompozytów na bazie poliestrów termoplastycznych (PET, PTT) oraz elastomerów termoplastycznych (PTT–blok–PTMO). Ustalono warunki przygotowania dyspersji nanocząstek 1D oraz 2D w ciekłym substracie z wykorzystaniem drgań mieszadła ultradźwiękowego naprzemiennie z mieszadłem mechanicznym oraz prowadzenie syntezy zależnie od rodzaju osnowy polimerowej. Wykazano, że dodatek jednościennych nanorurek węglowych oraz nanopłytek grafenowych o stężeniu nie większym niż 0,6 % mas. do polimerów kondensacyjnych pozwala na otrzymanie lekkich, elektrycznie przewodzących materiałów kompozytowych o zwiększonej stabilności termicznej i polepszonych właściwościach mechanicznych. Dla nanokompozytów na bazie PTT–blok–PTMO zaobserwowano pozytywny efekt hybrydowy zarówno w przypadku poprawy właściwości mechanicznych, jak i przewodnictwa elektrycznego. Stwierdzono, że płytki grafenowe są dość równomiernie rozmieszczone w polimerze i wyraźnie połączone nanorurkami węglowymi. Połączenie to odgrywa zasadniczą rolę w tworzeniu ścieżek przewodzenia w hybrydowym nanokompozycie. Zaobserwowany synergiczny efekt hybrydowy jest wypadkową zjawisk zachodzących w polimerze w obecności nanocząstek węglowych oraz oddziaływań na granicy nanonapełniacz–nanonapełniacz oraz nanonapełniacz –polimer.

EN

The hybrid carbon conductive nanoparticles to obtain polymer nanomaterials based on epoxy resin, poly(etherimide) (PEI), condensing polyesters (PET, PTT) and thermoplastic elastomers (PTT–block–PTMO) have been used. The influence of the addition of carbon nanotubes (single- and multi-walled), carbon nanofibers, graphene derivatives, and mixtures of both, on the electrical conductivity properties as well as the possibility to obtain the so called synergic effect of the enhancement of electrical conductivity. The aim of the research was obtaining polymer hybrid nanocomposites containing nanoparticles differ in shape (1D and 2D), which due to the high aspect ratio and a specific high surface area show a strong tendency to agglomeration. Resulting in the process of chemical synthesis of the polymer matrix (in situ) polymer hybrid nanocomposites were characterized by a high degree of uniformity of the structure and improved physical properties (much lower percolation thresholds in relation to composites based for example on epoxy resin or poly(etherimide)). Efficiency of in situ polymerization in obtaining hybrid nanomaterials has been evaluated through synthesis of thermoplastic polyesters (PET and PTT) and with thermoplastic elastomers (PTT–block–PTMO). The conditions for preparing 1D and 2D nanoparticle dispersions in a liquid substrate has been established using ultrasonic vibration alternately with a mechanical stirrer and conducting the synthesis depending on the type of polymer matrix. It was also shown that the addition of single-walled carbon nanotubes and graphene nanoplatelets with a concentration of not higher than 0.6 wt % to the condensation polymers allows obtaining lightweight, electrically conductive composite materials with improved thermal stability and improved mechanical properties. Additionally, for nanocomposites based on PTT–block–PTMO the positive hybrid effect has been observed, for both, improvement in mechanical properties and electrical conductivity. It was observed that the graphene nanoplatelets are fairly evenly distributed throughout the polymer and specifically linked to carbon nanotubes. This connection plays an essential role in the creation of the conduction paths in the hybrid nanocomposite. The observed synergistic hybrid effect is the result of the phenomena occurring in the polymer in the presence of carbon nanoparticles and the effects on the verge of a filler–filler and filler–polymer.

Słowa kluczowe

PL

nanorurki węglowe; grafeny; nanopłytki grafenowe/grafitowe; hybrydowe nanokompozyty polimerowe; próg perkolacji; przewodnictwo elektryczne; synergiczny efekt hybrydowy

EN

carbon nanotube; graphene; graphene/graphite nanoplatelets; polymer hybrid nanocomposites; percolation threshold; electrical conductivity; synergic hybrid effect

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 5
• Strony: 216--219
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Paszkiewicz S.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

autor

Rosłaniec Z.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Bibliografia

• [1] Kurzydłowski K. J., Lewandowska M.: Nanomateriały inżynierskie konstrukcyjne i funkcjonalne. PWN, Warszawa (2011).
• [2] Królikowski W., Rosłaniec Z.: Nanokompozyty polimerowe. Kompozyty (Composites) 4 (2004) 3÷16.
• [3] Kwiatkowska M., Broza G., Męcfel J., Sterzyński T., Rosłaniec Z.: Otrzymywanie i charakterystyka nanokompozytów polimerowych PBT/nanorurki węglowe. Kompozyty (Composites) 5 (2005) 99÷105.
• [4] Kim H., Abdala A. A., Macosko C. W.: Graphene/polymer nanocomposites. Macromolecules 43 (2010) 6515÷6530.
• [5] Slonczewski J. C., Weiss P. R.: Band structure of graphite. Phys. Rev. 109 (1958) 272.
• [6] Lee C., Wei X., Kysar J. W., Hone J.: Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science 321 (2008) 385÷388.
• [7] Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A.: Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 306 (2004) 666÷669.
• [8] Chen X., Jintong Xia J., Peng J., Li W., Xie S.: Carbon-nanotube metalmatrix composites prepared by electroless plating. Compos. Sci. Technol. 60 (2000) 301÷306.
• [9] Gleiter H.: Nanostructured materials: basic concepts and microstructure. Acta Mater 48 (2000) 1÷29.
• [10] Ning J., Zhang J., Pan Y., Guo J.: Fabrication and physical properties of SiO2 matrix composites reinforced by carbon nanotubes. Mater. Sci. Eng. A357 (1-2) (2004) 392÷396.
• [11] Li J., Wong P. S., Kim J. K.: Hybrid nanocomposites containing carbon nanotubes and graphite nanoplatelets. Mater. Sci. Eng. A 483-484 (2008) 660÷663.
• [12] Park J. K., Do I.-H., Askeland P., Drzal L. T.: Electrodeposition of exfoliated graphite nanoplatelets onto carbon fibers and properties of their epoxy composites. Compos. Sci. Technol. 68 (2008) 1734÷1741.
• [13] Paszkiewicz S., Szymczyk A., Špitalský Z., Soccio M., Mosnáček J., Ezquerra T. A,. Rosłaniec Z.: Electrical conductivity of poly(ethylene terephthalate)/ expanded graphite nanocomposites prepared by in situ polymerization. J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 50 (2012) 1645÷1652.
• [14] Paszkiewicz S., Kwiatkowska M., Szymczyk A., Jotko M., Lisiecki S., Rosłaniec Z.: Influence of different shaped nanofillers (1D, 2D) on barier and mechanical properties of polymer hybrid nanocomposites based on PET prepared by in situ polymerization. Polym Compos. (2015). Early view (online version of record published before inclusion in an issue).
• [15] Paszkiewicz S.: Polymer hybrid nanocomposites containing carbon nanoparticles. In situ synthesis and physical properties. PhD Thesis, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Szczecin (2014).
• [16] Kumar S., Sun L. L., Caceres S., Li B., Wood W., Perugini A., Maguire R. G., Zhong W. H.: Dynamic synergy of graphitic nanoplatelets and multiwalled carbon nanotubes in polyetherimide nanocomposites. Nanotechnology 21 (2010) 105702÷105711.
• [17] Paszkiewicz S., Szymczyk A., Livanov K., Wagner H. D., Rosłaniec Z.: Enhanced thermal and mechanical properties of poly(trimethylene terephthalate– block–poly(tetramethylene oxide) segmented copolymer based hybrid nanocomposites prepared by in situ polymerization via synergy effect between SWCNTs and graphene nanoplatelets. eXPRESS Polym. Lett. 9 (6) (2015) 509÷524.