Electrical and thermal properties of composites based on thermoplastic polymer and low melting metal alloy

• Autorzy: Trojanowska-Tomczak M. , Steller R. , Szymczyk P.

Warianty tytułu

PL

Elektryczne i termiczne właściwości kompozytów polimer termoplastyczny - niskotopliwy stop metali

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper concerns composite materials based on a thermoplastic polymer and low melting metal alloy. Composites with various alloy content were prepared by the sintering of PMMA or PVC powder to obtain a matrix with open pores. Then, liquid Wood's alloy was intruded into the matrix using a pressure autoclave. The obtained systems consist of co-continuous, interlaced 3D networks. The microstructure, electrical and thermal properties have been investigated. SEM micrographs revealed good dispersion of the filler in the matrices. The metal alloy inclusions have irregular shapes and different sizes from a few µm up to 100 µm. The results of the resistivity measurements showed that both composites conduct electrical current well. The resistivity of the samples varies from 4.2 • 10-4 to 1.5 • 10-5 Ω •m and the type of matrix does not have an influence. In contrast to electrical conductivity, the concentration dependence of thermal conductivity did not show percolation behaviour. The thermal conductivity of the composites increased but only slightly and its value is still closer to the polymers than to the metals. A slight reduction in the Vicat softening point of the composites was observed. It is due to the low melting temperature of the alloy, i.e. 70°C.

PL

Głównym celem towarzyszącym wytwarzaniu kompozytów polimer-metal jest otrzymanie materiałów dobrze przewodzących prąd przy jak najmniejszej zawartości metalu. Jednak większość kompozytów, w których metal jest rozproszony w matrycy polimerowej w sposób przypadkowy, wymaga stosunkowo dużej zawartości napełniacza. Niesie to ze sobą trudności różnego rodzaju, np. wzrost lepkości układu, powstawanie aglomeratów. W niniejszej pracy przedstawiono kompozyty o innej strukturze, tj. strukturze wzajemnie przenikających się składników, gdzie polimer i metal tworzą dwie ciągłe fazy. Porowate matryce polimerowe o otwartych porach wytworzono za pomocą techniki spiekania. Następnie napełniano je ciekłym stopem niskotopliwym przy użyciu ciśnienia azotu. Jako osnowy użyto suspensyjnego polichlorku winylu oraz polimetakrylanu metylu, a jako napełniacza stopu Wooda. Otrzymano kompozyty o zawartości metalu 10, 20 i 30% obj. Zaprezentowano wyniki obserwacji mikrostruktury zbadanej za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. W ramach pomiarów właściwości elektrycznych i termicznych określono rezystywność skrośną, przewodnictwo cieplne oraz temperaturę mięknienia wg Vicata. Na podstawie mikroskopii SEM stwierdzono, że matryca nie ma wpływu na strukturę kompozytów. Między złączonymi ziarnami polimeru występuje ciągła faza metaliczna, przy czym ziarna PMMA mają bardziej regularny, kulisty kształt niż ziarna PVC. Mikroskopia wykazała również stosunkowo równomierny rozkład cząstek napełniacza. Wszystkie kompozyty dobrze przewodzą prąd elektryczny. Rezystywność skrośna rośnie wraz z zawartością metalu i mieści się w przedziale wartości od 4,2 • 10-4 do 1,5 • 10-5 Ω •m. Pomimo, że rezystancja PVC jest o rząd mniejsza od rezystancji PMMA, kompozyty nie wykazują znacznych różnic w zależności od rodzaju matrycy. Wbrew oczekiwaniom przewodnictwo cieplne nie ulega znacznemu zwiększeniu. Jego wartość wzrasta w porównaniu do matryc, ale pozostaje nadal bliższa materiałom polimerowym niż metalom. Dla zawartości stopu Wooda 30% obj. przyjmuje najwyższą wartość 1,5 W/(Km), a więc jest około trzykrotnie większa od przewodnictwa czystych PVC i PMMA. Odporność cieplna kompozytów uległa niewielkiemu zmniejszeniu. Jest to prawdopodobnie wynik występowania stopu Wooda w stanie ciekłym w warunkach pomiaru ze względu na jego niską temperaturę topnienia (ok. 70°C).

Słowa kluczowe

EN

polymer matrix composites; low melting alloy; electrical resistivity; thermal conductivity

PL

kompozyty o osnowie polimerowej; stop niskotopliwy; rezystywność; przewodnictwo cieplne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 13, nr 1
• Strony: 19--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys.

Twórcy

autor

Trojanowska-Tomczak M.

autor

Steller R.

autor

Szymczyk P.

• Wrocław University of Technology, Polymer Engineering and Technology Department, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, Poland,

Bibliografia

• [1] Holbrook A.L., Aluminum flake filled conductive plastics for EMI shielding and thermal conductivity, International Journal of Powder Metallurgy 1986, 22, 41-45.
• [2] Bhattacharya S.K., Metal Filled Polymers, Marcel Dekker, New York 1986.
• [3] Mrozek R.A., Cole P.J., Mondy L.A., Rao R.R. Bieg L.F., Lenhart J.L., Highly conductive, melt processable polymer composites based on nickel and low melting eutectic metal, Polymer 2010, 51, 2954-2958.
• [4] Xue Q., The influence of particle shape and size on electric conductivity of metal-polymer composites, European Polymer Journal 2004, 40, 323-327.
• [5] Washburn E.W., Note on a method of determining the distribution of pore sizes in a porous material, Physics 1921, 7, 115-116.
• [6] Yi X., Zhang X., Pan Y., et al., Electrical properties of polymer/low melting point alloy binary systems, Polymer Plastic Technology and Engineering 2000, 5, 829-833.
• [7] McQueen D.H., Jäger K. M., Pelíšková M., Multiple threshold percolation in polymer/filler composites, Journal of Physics D: Applied Physics 2004, 37, 2160-2169.