Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Исследование тепловыделений в наномодифицированных эластомерах при растяжении и кручении под действием электрического напряжения

https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-121-132

Полный текст:

Аннотация

Проведено исследование эластомеров, модифицированных углеродными нанотрубками (МУНТ) с массовой концентрацией от 1 до 8 масс. %. Исследованы режимы тепловыделений наномодифицированных эластомеров в диапазоне от 30 до 260 В (переменного электрического тока) при различном уровне растяжения и кручения. Для образцов эластомеров с концентрацией МУНТ от 1 до 5 масс. % в диапазоне питающего напряжения до 260 В не было процесса тепловыделения. Установлено, что тепловыделения при питании композитов эластомеров с МУНТ наблюдаются при массовой концентрации, равной 6 масс. % МУНТ, и напряжении питания 70 В. Максимальное значение напряжения для образца эластомера с 6 масс. % МУНТ доходит до 260 В. Увеличение концентрации до 7 масс. % приводит к повышению мощности тепловыделений и снижению предельного уровня питающего напряжения до 180 В, при этом начальное напряжение тепловыделений составляет 40 В. При концентрации, равной 8 масс. %, мощность увеличивается и предельное напряжение падает до 100 В, а начальное напряжение устанавливается на уровне 36 В. Выявлено, что при кручении эластомера на 360° формируются участки с повышенной температурой справа и в центральной зоне образца (49,5 °С). При кручении на 540° происходит увеличение температуры в месте сгиба до 50,2 °С. Увеличение угла скручивания до 1080° приводит к формированию участков с повышенной температурой около правого токоподводящего зажима. Стоит отметить возможность применения полученных образцов эластомеров с МУНТ в качестве чувствительных элементов датчиков деформации, что позволит получать информацию о физических и химических параметрах в соответствии с принципами измерения изменения электрического сопротивления, которое возникает при растягивании и кручении.

Об авторах

Александр Викторович Щегольков
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов
Россия

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



Алексей Викторович Щегольков
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов
Россия

аспирант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»



Наталия Викторовна Земцова
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов
Россия

аспирант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»



Список литературы

1. Jeong C.K., Lee J., Han S., Ryu J., Hwang G.T., Park D.Y., Park J.H., Lee S.S., Byun M., Ko S.H., Lee K.J. A hyper-stretchable elastic-composite energy harvester // Advanced Materials. 2015. Vol. 27. № 18. P. 2866–2875. DOI: 10.1002/adma.201500367.

2. Liang L., Gao C., Chen G., Guo C.Y. Large-area, stretchable, super flexible and mechanically stable thermoelectric films of polymer/carbon nanotube composites // Journal of Materials Chemistry C. 2016. Vol. 4. № 3. P. 526–532. DOI: 10.1039/C5TC03768A.

3. Cacucciolo V., Shintake J., Kuwajima Y., Maeda S., Floreano D., Shea H. Stretchable pumps for soft machines // Nature. 2019. Vol. 572. № 7770. P. 516–519. DOI: 10.1038/s41586-019-1479-6.

4. Qu C., Wang S., Liu L., Bai Y., Li L., Sun F.Q., Hao M.M., Li T., Lu Q.F., Li L.L., Qin S.J., Zhang T. Bioinspired Flexible Volatile Organic Compounds Sensor Based on Dynamic Surface Wrinkling with Dual-Signal Response // Small. 2019. Vol. 15. № 17. Article number 1900216. DOI: 10.1002/smll.201900216.

5. Aouraghe M.A., Xu F., Liu X., Qiu Y. Flexible, quickly responsive and highly efficient E-heating carbon nanotube film // Composites Science Technology. 2019. Vol. 183. Article number 107824. DOI: 10.1016/j.compscitech.2019.107824.

6. Xu P., Kang J., Suhr J., Smith J.P., Booksh K.S., Wei B., Yu J., Li F., Byun J., Oh Y., Chou T. Spatial strain variation of graphene films for stretchable electrodes // Carbon. 2015. Vol. 93. P. 620–624. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.05.096.

7. Hudaya C., Jeon B.J., Lee J.K. High thermal performance of SnO2:F thin transparent heaters with scattered metal nanodots // ACS Applied Materials and Interfaces. 2015. Vol. 7. № 1. P. 57–61. DOI: 10.1021/am507497u.

8. Spinelli G., Lamberti P., Tucci V., Guadagno L., Vertuccio L. Damage Monitoring of Structural Resins Loaded with Carbon Fillers: Experimental and Theoretical Study // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. № 3. Article number 434. DOI: 10.3390/nano10030434.

9. Guadagno L., Foglia F., Pantani R., Romero-Sanchez M.D., Calderon B., Vertuccio L. Low-Voltage Icing Protection Film for Automotive and Aeronautical Industries // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. № 7. P. 1–16. DOI: 10.3390/nano10071343.

10. 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: 10.1016/j.carbon.2016.09.016.

11. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Katsnelson M.I., Grigorieva I.V., Dubonos S.V., Firsov A.A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in grapheme // Nature. 2005. Vol. 438. № 7065. P. 197–200. DOI: 10.1038/nature04233.

12. Stankovich S., Dikin D.A., Dommett G.H., Kohlhaas K.M., Zimney E.J., Stach E.A., Piner R.D., Nguyen S.T., Ruoff R.S. Graphene-based composite materials // Nature. 2006. Vol. 442. № 7100. P. 282–286. DOI: 10.1038/nature04969.

13. Novoselov K.S., Fal′ko V.I., Colombo L., Gellert P.R., Schwab M.G., Kim K. A roadmap for grapheme // Nature. 2012. Vol. 490. P. 192–200. DOI: 10.1038/nature11458.

14. Potts J.R., Shankar O., Murali S., Du L., Ruoff R.S. Latex and two-roll mill processing of thermally-exfoliated graphite oxide/natural rubber nanocomposites // Composites Science and Technology. 2013. Vol. 74. P. 166–172. DOI: 10.1016/j.compscitech.2012.11.008.

15. Chu K., Yun D.-J., Kim D., Park H., Park S.-H. Study of electric heating effects on carbon nanotube polymer composites // Organic Electronics. 2014. Vol. 15. № 11. P. 2734–2741. DOI: 10.1016/j.orgel.2014.07.043.

16. Ning N., Ji L., Zhang L., Liu J., Lu Y., Wu S., Zou H., Tian M., Chan T.W. High elasticity and conductivity of elastomer composites with arrayed carbon nanotubes as nanosprings // Composites Science and Technology. 2015. Vol. 118. P. 78–84. DOI: 10.1016/j.compscitech.2015.08.012.

17. 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. Vol. 78. № 11. P. 6689–6703. DOI: 10.1007/s00289-020-03483-y.

18. 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. DOI: 10.6060/rcj.2020644.4.

19. Щегольков А.В. Сравнительный анализ тепловых эффектов в эластомерах, модифицированных МУНТ при постоянном электрическом напряжении // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. № 1. С. 63–73. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-1-63-73.

20. 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: 10.18323/2073-5073-2020-3-65-72.

21. Xu F., Aouraghe M.A., Xie X., Zheng L., Zhang K., Fu K.K. Highly stretchable, fast thermal response carbon nanotube composite heater // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2021. Vol. 147. Article number 106471. DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106471.

22. Yan J., Kim B., Jeong Y.G. Thermomechanical and electrical properties of PDMS/MWCNT composite films crosslinked by electron beam irradiation // Journal of Materials Science. 2015. Vol. 50. № 16. P. 5599–5608. DOI: 10.1007/s10853-015-9110-1.

23. Jeong Y.G., Jeon G.W. Microstructure and performance of multiwalled carbon nanotube/m-aramid composite films as electric heating elements // ACS Applied Materials and Interfaces. 2013. Vol. 5. № 14. P. 6527–6534. DOI: 10.1021/am400892k.

24. Yan J., Jeong Y.G. Multiwalled carbon nanotube/polydimethylsiloxane composite films as high performance flexible electric heating elements // Applied Physics Letters. 2014. Vol. 105. № 5. Article number 051907. DOI: 10.1063/1.4892545.

25. Yan J., Kim B., Jeong Y.G. Thermomechanical and electrical properties of PDMS/MWCNT composite films crosslinked by electron beam irradiation // Journal of Materials Science. 2015. Vol. 50. № 16. P. 5599–5608. DOI: 10.1007/s10853-015-9110-1.

26. Yan J., Jeong Y.G. Highly elastic and transparent multiwalled carbon nanotube/polydimethylsiloxane bilayer films as electric heating materials // Materials & Design. 2015. Vol. 86. P. 72–79. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.07.089.

27. 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: 10.1016/j.carbon.2016.09.016.

28. Lee T.-W., Lee S.-E., Jeong Y.-G. Carbon nanotube/cellulose papers with high performance in electric heating and electromagnetic interference shielding // Composites Science and Technology. 2016. Vol. 131. P. 77–87. DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.06.003.


Рецензия

Для цитирования:


Щегольков А.В., Щегольков А.В., Земцова Н.В. Исследование тепловыделений в наномодифицированных эластомерах при растяжении и кручении под действием электрического напряжения. Frontier Materials & Technologies. 2022;(2):121-132. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-121-132

For citation:


Shchegolkov A.V., Shchegolkov A.V., Zemtsova N.V. Investigation of heat release in nanomodified elastomers during stretching and torsion under the action of electric voltage. Frontier Materials & Technologies. 2022;(2):121-132. (In Russ.) https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-121-132

Просмотров: 44


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


ISSN 2782-4039 (Print)
ISSN 2782-6074 (Online)