Preview

Сравнительный анализ тепловых эффектов в эластомерах, модифицированных МУНТ при постоянном электрическом напряжении

https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-1-63-73

Полный текст:

Аннотация

Проведен сравнительный анализ эластомеров – полиуретана (НПК) и кремнийорганического компаунда (НКОК), модифицированных углеродными нанотрубками (МУНТ) с массовым содержанием от 1 до 9 %. МУНТ синтезированы по CVD-технологии с применением катализаторов Co-Mo/Al2O3-MgO (МУНТ1) и Fe-Co/2,1Al2O3 (МУНТ2). Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что самая низкая удельная объемная электропроводность (5×10-10 См×см-1) характерна для полиуретанового эластомера (1 мас.% МУНТ, синтезированных на катализаторе Fe-Co/2,1Al2O3). Для кремнийорганического эластомера, модифицированного 9 мас.% МУНТ1, удельная объемная электропроводность составила 4×10-1 См×см-1. Определены параметры перколяционной модели электропроводности для НПК, НКОК с МУНТ1 и МУНТ2 с учетом коэффициента упаковки МУНТ и критического индекса электропроводности. Наибольшая равномерность температурного поля характерна для кремнийорганического эластомера с 7 мас.% МУНТ2. Неоднородное температурное поле в модифицированных эластомерах, изготовленных на основе полиуретана, может быть вызвано локальной спутанностью МУНТ, выраженной в образовании агломератов, или более плотной упаковкой электропроводящих сетей, которая, в свою очередь, приводит к снижению тепловой мощности. Температура нагрева наномодифицированных композитов, изготовленных из НКОК 1 и НКОК 2, может варьироваться от 32,9 до 102 °С. Исследованы режимы тепловыделений наномодифицированных эластомеров в диапазоне от 6 до 30 В постоянного электрического тока. Проведено сравнение тепловыделений в образцах на основе эластомеров и керамики. Исследование позволило выявить наилучшее сочетание полимерной матрицы и типа МУНТ. Для электронагревателей наиболее рационально применять кремнийорганический компаунд при концентрации МУНТ 7 % и в зависимости от уровня питающего напряжения 12 или 24 В использовать МУНТ1 или МУНТ2.

Об авторе

Александр Викторович Щегольков
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов (Россия)
Россия

кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»



Список литературы

1. Nizamuddin S., Maryam S., Baloch H.A., Siddiqui M.T.H., Takkalkar P., Mubarak N.M., Jatoi A.S., Abbasi S.A., Griffin G.J., Qureshi K., Kao N. Electrical Properties of Sustainable Nano-Composites Containing Nano-Fillers: Dielectric Properties and Electrical Conductivity // Sustainable Polymer Composites and Nanocomposites. 2019. P. 899–914. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-05399-4_30.

2. Mächler D., Schmidt R., Töpfer J. Synthesis, doping and electrical bulk response of (Bi 1/2 Na 1/2 ) x Ba 1-x TiO 3 + CaO – based ceramics with positive temperature coefficient of resistivity (PTCR) // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 762. P. 209–215. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.05.049.

3. Paunović V., Mitić V., Pavlović V., Miljković M., Živković L. Microstructure evolution and phase transition in La/Mn doped barium titanate ceramics // Processing and Application of Ceramics. 2010. Vol. 4. № 4. P. 253–258. DOI: https://doi.org/10.2298/PAC1004253P.

4. Petrović M.M.V., Bobić J.D., Grigalaitis R., Stojanović B.D., Banys J. La-doped and La/Mn-co-doped barium titanate ceramics // Acta Physica Polonica A. 2013. Vol. 124. № 1. P. 155–160. DOI: https://doi.org/10.12693/APhysPolA.124.155.

5. Rowlands W., Vaidhyanathan B. Additive manufacturing of barium titanate based ceramic heaters with positive temperature coefficient of resistance (PTCR) // Journal of the European Ceramic Society. 2019. Vol. 39. № 12. P. 3475–3483. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.03.024.

6. Ali, I., AlGarni T.S., Shchegolkov A., Shchegolkov A., Jang S.-H., Galunin E., Komarov F., Borovskikh P., Imanova G.T. Temperature self-regulating flat electric heaters based on MWCNTs-modified polymers // Polymer Bulletin. 2021. Article in press. DOI: https://doi.org/10.1007/s00289-020-03483-y.

7. Luo J., Lu H., Zhang Q., Yao Y., Chen M., Li Q. Flexible carbon nanotube/polyurethane electrothermal films // Carbon. 2016. Vol. 110. P. 343–349. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.09.016.

8. Ha J.-H., Chu K., Park S.-H. Electrical Properties of the Carbon-Nanotube Composites Film Under Extreme Temperature Condition // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2019. Vol. 19. № 3. P. 1682–1685. DOI: https://doi.org/10.1166/jnn.2019.16250.

9. Cheng Y., Zhang H., Wang R., Wang X., Zhai H., Wang T., Jin Q., Sun J. Highly Stretchable and Conductive Copper Nanowire Based Fibers with Hierarchical Structure for Wearable Heaters // ACS Applied Materials and Interfaces. 2016. Vol. 8. № 48. P. 32925–32933. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.6b09293.

10. Vertuccio L., Foglia F., Pantani R., Romero-Sánchez M.D., Calderón B., Guadagno L. Carbon nanotubes and expanded graphite based bulk nanocomposites for de-icing applications // Composites Part B: Engineering. 2021. Vol. 207. Article number 108583. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108583.

11. Vertuccio L., De Santis F., Pantani R., Lafdi K., Guadagno L. Effective de-icing skin using graphene-based flexible heater // Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 162. P. 600–610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.01.045.

12. Yao X., Hawkins S.C., Falzon B.G. An advanced antiicing/de-icing system utilizing highly aligned carbon nanotube webs // Carbon. 2018. Vol. 136. P. 130–138. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.04.039.

13. Redondo O., Prolongo S.G., Campo M., Sbarufatti C., Giglio M. Anti-icing and de-icing coatings based Joule’s heating of graphene nanoplatelets // Composites Science and Technology. 2018. Vol. 164. P. 65–73.

14. Jain S.K., Tadesse Y. Fabrication of polylactide/carbon nanopowder filament using melt extrusion and filament characterization for 3D printing // International Journal of Nanoscience. 2018. Vol. 18. № 5. Article number 1850026.

15. Baloch K.H., Voskanian N., Bronsgeest M., Cumings J. Remote Joule heating by a carbon nanotube // Nature Nanotechnology. 2012. Vol. 7. № 5. P. 316–319. DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2012.39.

16. Celzard A., McRae E., Deleuze C., Dufort M., Furdin G., Mareche J.F. Critical concentration in percolating systems containing a high-aspect-ratio filler // Physical Review B – Condensed matter and materials physics. 1996. Vol. 53. № 10. P. 6209–6214. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.53.6209.

17. Bai J.B., Allaoui A. Effect of the length and the aggregate size of MWNTs on the improvement efficiency of the mechanical and electrical properties of nanocomposites – experimental investigation // Composites Part A – Applied science and manufacturing. 2003. Vol. 34. № 8. P. 689–694. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-835X(03)00140-4.

18. Martin C.A., Sandler J.K.W., Shaffer M.S.P., Schwarz M.-K., Bauhofer W., Schulte K., Windle A.H. Formation of percolating networks in multi-wall carbon-nanotube–epoxy composites // Composites Science and Technology. 2004. Vol. 64. № 15. P. 2309–2316. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2004.01.025.

19. Bao W.S., Meguid S.A., Zhu Z.H., Pan Y., Weng G.J. A novel approach to predict the electrical conductivity of multifunctional nanocomposites // Mechanics of Materials. 2012. Vol. 46. P. 129–138. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2011.12.006.

20. Щегольков А.В., Щегольков А.В., Комаров Ф.Ф., Парфимович И.Д. Применение эластомеров, модифицированных углеродными нанотрубками при создании саморегулируемых электронагревателей и материалов для защиты от электромагнитного излучения // Российский химический журнал. 2020. Т. 64. № 4. С. 39–45.

21. Aguilar J.O., Bautista-Quijano J.R., Avilés F. Influence of carbon nanotube clustering on the electrical conductivity of polymer composite films // Express Polymer Letters. 2010. Vol. 4. № 5. P. 292–299. DOI: https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2010.37.

22. Щегольков А.В., Комаров Ф.Ф., Парфимович И.Д., Мильчанин О.В., Щегольков А.В., Хробак А.В., Семенкова А.В. Влияние углеродных нанотрубок на электропроводность реактопластов и эластомеров // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2020. № 3. С. 65–72. DOI: https://doi.org/10.18323/2073-5073-2020-3-65-72.

23. Mamunya Y.P., Davydenko V.V., Pissis P., Lebedev E.V. Electrical and thermal conductivity of polymers filled with metal powders // European Polymer Journal. 2002. Vol. 38. № 9. P. 1887–1897. DOI: https://doi.org/10.1016/s0014-3057(02)00064-2.


Для цитирования:


Щегольков А.В. Сравнительный анализ тепловых эффектов в эластомерах, модифицированных МУНТ при постоянном электрическом напряжении. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021;(1):63-73. https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-1-63-73

For citation:


Shchegolkov A.V. The comparative analysis of thermal effects in elastomers modified with MCNT at constant DC voltage. Science Vector of Togliatti State University. 2021;(1):63-73. (In Russ.) https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-1-63-73

Просмотров: 51


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2073-5073 (Print)
ISSN 2712-8458 (Online)