СЕГРЕГИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ЭЛАСТОМЕРОВ И ГРАФИТА
Аннотация
В работе приводятся результаты исследования электропроводящих характеристик и комплекса физико-механических свойств нанокомпозитов на основе графита, широкого набора полиолефинов – полиэтилена низкой плотности, полиэтилена высокой плотности, изотактического полипропилена, рандом сополимера полипропилена, блок-сополимера пропилена с этиленом, сополимера этилена с гексеном и сополимера этилена с бутеном-1. Для рассматриваемых нанокомпозитов на основе полиолефинов определены оптимальные концентрации графита, при которых достигаются максимальные значения электропроводности, в пределах 10-2-10-3 (Ом·м)-1. Дается подробное описание механизма туннельной и электронной электропроводности в рассматриваемых нанокомпозитах. Разработаны термопластичные эластомеры (ТПЭ) на основе полиолефинов и этилен-пропилен-диенового каучука. В широком концентрационном диапазоне определены закономерности изменения электропроводности нанокомпозитов на основе термопластичных эластомеров и нанодисперсного графита. При исследовании физико-механических свойств нанокомпозитов ТПЭ были определены разрушающее напряжение, предел текучести при растяжении, относительное удлинение, прочность на изгиб, теплостойкость, показатель текучести расплава и модуль Юнга. Установлена закономерность изменения зависимости «напряжение-деформация» для ТПЭ в зависимости от содержания этилен-пропилен-диенового каучука. Методами дериватографии, рентгенфазового и SEM анализов, электронной микроскопии проведены исследования по оценке структурных особенностей нанокомпозитов термопластичных эластомеров в зависимости от соотношения используемых компонентов смеси. Для наглядной интерпретации приводится схематическое изображение процессов, протекающих в межфазной области термопластичных эластомеров. Методом ренгенфазового анализа показана закономерность изменения степени кристалличности термопластичных эластомеров в зависимости от содержания каучука и графита. Показана принципиальная возможность получения гибких электропроводящих материалов с заранее заданными свойствами путем регулирования соотношения компонентов в составе термопластичных эластомеров.
Для цитирования:
Кахраманов Н.Т., Аллахвердиева Х.В., Кахраманлы Ю.Н., Мустафаева Ф.А., Садыков Н.М., Мартынова Г.С., Велиметова Н.И., Курбанова Р.В. Сегрегированные электропроводящие нанокомпозиты на основе термопластичных эластомеров и графита. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 11. С. 122-137. DOI: 10.6060/ivkkt.20246711.7045.
Литература
Sadasivuni K.K., Hegazy S.M., Moustafa Abdullah Aly A.A.A. Chapter 11 - Polymers in electronics In: Polymer Science and Innovative Applications. Ed. by Mariam Al Ali AlMaadeed, Deepalekshmi Ponnamma, Marcelo A. Carignano. Elsevier. 2020. P. 365-392. DOI: 10.1016/B978-0-12-816808-0.00011-1.
Aloyev V.Z., Zhirikova Z.M., Tarchokova M.A. Effec-tiveness of use of nano fillers of different types in polymeric composites. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 4. P. 81-85 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206304.6158.
Kakhramanov N.T., Allahverdiyeva Kh.V., Nurullayeva D.R. On preparation of polymer composites with improved electrophysical and physical-mechanical properties. Chem. Problems. 2019. N 1. P. 26-41. DOI: 10.32737/2221-8688-2019-1-26-40.
Glazyrin A.B., Abdullin M.I., Basyrov A.A. Conductive polymer materials for 3d printing. Vestn. Bashkir. Uni-ta. 2016. V. 1. N 1. P. 81-85 (in Russian).
Kravchenko T.P., Gorbunova I.Y., Filatov S.N., Kerber M.L., Rakov E.G., Kireev V.V. Polypropylene-based nanostructured materials. Int. Polym. Sci. 2017. V. 44. N 4. P. 45-47. DOI: 10.1177/0307174X1704400409.
Kakhramanov N.T., Azizov A.G., Osipchik V.S., Mamedli U.M., Arzumanova N.B. Nanostructured compo-sites and polymer materials. Int. Polym. Sci. 2017. V. 44. N 2. P. 37-47. DOI: 10.1177/0307174X1704400207.
Dudochkina E.A., Lyamkin D.I., Rudakov G.F. Modification of technological and mechanical properties of high filled polyolefin compounds. Plast. Massy. 2018. N 7-8. P. 44-46 (in Russian). DOI:10.35164/0554-2901-2018-7-8-44-46.
Abreu Martins S.De, Reis J.M., Costa Mattos Da H. Infuence of graphite powder and carbon black weight percentages on the electrical properties of epoxy composite plates. Mater. Sci. Forum. 2016. V. 869. P. 366–370. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.869.366.
Kakhramanov N.T., Allahverdiyeva Kh.V., Mustafayeva F.A., Nasibov Kh.N. Theoretical aspects of the injection molding process of multicomponent nanocomposites based on polyolefins. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 1. P. 83-91. DOI: 10.6060/ivkkt.20226501.6451.
Haghnegahdar M., Naderi G., Ghoreishy M.H.R. Electrical and thermal properties of a thermoplastic elastomer nano-composite based on polypropylene/ethylene propylene diene monomer/graphene. Soft Mater. 2017. V. 15. N 1. P. 82–94. DOI: 10.1080/1539445X.2016.1268622.
Panin S.V., Kornienko L.A., Aleksenko V.O., Ivanova L.R., Shilko S.V., Buslovich D.G. Comparison of effec-tiveness of carbon nano-and microfibers for formation of physical-mechanical and tribolotechnical parameters of polymer composites based on high molecular weight matrix. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 9. P. 99-105. DOI: 10.6060/tcct.20165909.13y.
Allahverdyeva K.V., Kakhramanov N.T., Dadasheva E.V. Electrically conductive nanocomposites based on high density polyethylene and different types of carbon-containing fillers. Plast. Massy. 2023. N 5-6. P. 53-56 (in Russian). DOI: 10.35164/0554-2901-2023-5-6-53-56.
Janeesh G.M., Meera V., Shalom A.M., Rajan Babu D., Arunai Nambi Raj N., Sreekanth M.S., Samba Siva V., Sumangala T.P. Enhanced electrical conductivity and structural, mechanical characterization of standalone poly(vinyl alcohol)-graphite nanoplatelets composite films. J. Appl. Polym. Sci. 2021. V. 138. N 10. P. 49976. DOI: 10.1002/app.49976.
Jin F.L., Chu N., Yao Sh.Sh., Park S-J. Thermal and electrical conductivity improvement in epoxy resin with expanded graphite and silver plating. Korean J. Chem. Eng. 2022. V. 39. P. 2182-2191. DOI: 10.1007/s11814-022-1065-8.
Kakhramanov N.T., Gasimova G.Sh., Pesetsriy S.S., Kakhramanly J.N., Gurbanova R.V., Hajiyeva R.Sh., Suleymanova E.I. Physical and mechanical properties of nanocomposites based on block copolymer propylene with ethylene and graphite. Chem. Problems. 2019. N 1. P. 72-80. DOI: 10.32737/2221-8688-2019-1-72-80.
Zhao L., Xia W., Zhang P. Economical conductive graphite-filled polymer composites via adjustable segregated structures: Construction, low percolation threshold, and positive temperature coefficient effect. J. Appl. Polym. Sci. 2021. V. 138. N 17. 50295. DOI: 10.1002/app.50295.
Ye Ch.M., Shentu B.Q., Weng Z.X. Thermal conductivity of high density polyethylene filled with graphite. J. Appl. Polym. Sci. 2006. V. 101. N 6. P. 3806-3810. DOI:10.1002/app.24044.
Kakhramanov N., Allahverdiyeva Kh., Gahramanli Y., Mustafayeva F., Martynova G. Physical-mechanical properties of multifunctional thermoplastic elastomers based on polyolefins and styrene-butadiene elastomer. J. Elastomers Plast. 2023. V. 55. N 2. P. 279-302. DOI: 10.1177/00952443221147030.
Allahverdiyeva Kh.V., Kakhramanov N.T., Mustafayeva F.A. Structure and properties of conducting composites based on polyolefi ns and carbon black. Russ. J. Appl. Chem. 2022. V. 95. N 8. P. 1146–1152. DOI: 10.1134/S1070427222080092.
Li C.-Q., Zha J.-W, Li Z.-J., Zhang D.-L., Wang S.-J., Dang Z.-M. Towards balanced mechanical and electrical properties of thermoplastic vulcanizates composites via unique synergistic effects of single-walled carbon nanotubes and graphene. Compos. Sci. Technol. 2018. V. 157. P. 134-143. DOI: 10.1016/j.compscitech.2018.01.038.
Kakhramanov N.T., Allahverdiyeva K.V., Mustafayeva F.A., Koseva N.S., Abdullin M.I. Adhesion Properties of Metal-Filled Functionalized Polypropylene-Based Nanocom-posites. Polym. Sci. Ser. D. 2023. V. 16. P. 98–103. DOI: 10.1134/S1995421223010124.
Mokhtari M., Archer E., Bloomfield N., Harkin-Jones E., MclIhagger A. High-performance and cost-effective melt blended poly(ether ether ketone)/expanded graphite compo-sites for mass production of antistatic materials. Polym. Int. 2021. V. 70. P. 1137-1145. DOI: 10.1002/pi.6226.
Paran S.M.R, Naderi G., Ghoreishy M.H.R., Heydari A. Enhancement of mechanical, thermal and morphological properties of compatibilized graphene reinforced dynamically vulcanized thermoplastic elastomer vulcanizates based on polyethylene and reclaimed rubber. Compos. Sci. Technol. 2018. V. 161. P. 57-65. DOI: 10.1016/j.compscitech.2018.04.006.
Allahverdiyeva K.V., Kakhramanov N.T., Martynova G.S., Mustafayeva F.A., Gahramanli Y.N., Habibova A.G., Bafadarova H.B., Ulemanova E.I., Gurbanova R.V. Structural features and mechanism of crystallization of nanocomposites based on maleinated high density polyethylene and carbon black. Heliyon. 2023. V. 9. N 4. e14829. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e14829.
Liu M., Papageorgiou D.G., Li S., Lin K., Kinloch I.A., Young R.J. Micromechanics of reinforcement of a gra-phene-based thermoplastic elastomer nanocomposite. Com-pos. - A: Appl. 2018. V. 110. P. 84-92. DOI: 10.1016/j.compositesa.2018.04.014.
Qiu Y., Wang J., Wu D., Wang Z., Zhang M., Yao Y., Wei N. Thermoplastic polyester elastomer nanocomposites filled with graphene: Mechanical and viscoelastic properties. Compos. Sci. Technol. 2016. V. 132. P. 108-115. DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.07.005.
Tarawneh M.A., Ahmad S., Chen R.S. Mechanical, thermal, and electrical properties of graphene oxide–multiwalled carbon nanotubes-filled thermoplastic elastomer nanocomposite. J. Elastomers. Plast. 2017. V. 49. N 4. P. 345-355. DOI: 10.1177/0095244316661753.
Utkarsh T.M., Syed N.A., Behravesh A.H., Pop-Iliev R., Rizvi G. Synergistic enrichment of electrically conductive polypropylene-graphite composites for fuel cell bipolar plates. Int. J. Energy Res. 2022. V. 46. N 8. P. 10955-10964. DOI:10.1002/er.7898.
