ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 620.3
DOI: 10.18503/1995-2732-2023-21-4-81-92
Аннотация
В работе представлены исследования функционального материала для электронагрева с эффектом саморегулирования температуры на основе эластомера с нано- и микроразмерными проводящими добавками. Функциональное назначение наномодифицированного эластомера − применение в различных технологических приложениях: микроэлектроника, энергетика и автотранспортная техника. Исследования наномодифицированных эластомеров и синтезированных многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) проведены с помощью сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, КР-спектроскопии, а также современных методов бесконтактного исследования температурного поля и анализа теплопроводности, температуропроводности и электрофизических параметров. Для модифицирования эластомеров использованы МУНТ, синтезированные с помощью каталитической системы Fe-0,7Co/2,1Al2O3. МУНТ представляют массив, который состоит из двух типов наноматериалов: крупных ориентированных УНТ и обвивающих их более мелких УНТ. Крупные нанотрубки характеризуются толщинами с небольшими колебаниями значений в пределах 35-50 нм, равномерной структурой и толщиной стенок, удельной поверхностью 290 ± 10 м2/г. Помимо прочего, внутри самих нанотрубок зарегистрированы одиночные вкрапления частиц катализатора протяженностью от 15 до 30 нм. Теплопроводность эластомеров, модифицированных МУНТ и микроразмерным железом, меняется с 2,88-1 до 3,36 ·10-1 при массовой концентрации железа от 1 до 8%, а температуропроводность меняется с 4,98-7 до 6,3-7 м2/с при той же массовой концентрации. Динамика изменения температурного поля имеет монотонно возрастающий характер с достижением температурного режима с максимальным значением 90,7°С. Представленный режим с питающим напряжением 13,5 В является оптимальным для эластомера с добавками Fe с массовой концентрацией 8 мас.% и МУНТ 1 мас.%, так как увеличение питающего напряжения до 15,8 В вызывает нагрев до 159°С, что является предельным значением термической устойчивости для матрицы эластомера. В случае меньшей массовой концентрации МУНТ (1 мас.%) возможны режимы работы с напряжениями до 30,3 В, при которых температура не превысит 74,2°С, однако общая мощность при такой концентрации МУНТ для нагревателя будет ниже. Установлено, что для композитов на основе микроразмерного железа и МУНТ характерен режим нагрева до 90°С в течение 114 с от начальной температуры с 25°С, при этом увеличение концентрации МУНТ до 8% приводит к росту температуры на поверхности до 150°С за 7,14 с от температуры 25°С. Структурно микроразмерное железо в эластомере встраивается в виде сферических включений.
Ключевые слова
микроразмерные нанополнители, модификация, железо, углеродные нанотрубки, эластомеры, теплопроводность, электропроводность, тепловое поле
Для цитирования
Влияние микроразмерных металлических наполнителей на тепло- и электрофизические свойства наномодифицированных эластомеров / Щегольков А.В., Щегольков А.В., Земцова Н.В., Комаров Ф.Ф., Парфимович И.Д. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. №4. С. 81-92. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2023-21-4-81-92
1. Yu T., Lü X., Bao W. High electrical self-healing flexible strain sensor based on MWCNT-polydimethylsiloxane elastomer with high gauge factor and wide measurement range // Composites Science and Technology. 2023, vol. 238, 110049. DOI: 10.1016/j.compscitech. 2023.110049
2. Carbon nanotube/polyurethane films with high transparency, low sheet resistance and strong adhesion for antistatic application / Tian Y., Zhang X., Geng H.-Z., Yang H.-J., Li C., Da S.-X., Lu X., Wanga J., Jia S.-L. // RSC Advances. 2017, vol. 83, no. 7, pp. 53018-53024. DOI: 10.1039/C7RA10092B
3. Recent advancements in carbonaceous nanomaterials for multifunctional broadband electromagnetic interference shielding and wearable devices / Kuila C., Maji A., Murmu N.C., Kuila T., Srivastava S.K. // Carbon. 2023, vol. 210, 118075. DOI: 10.1016/ j.carbon.2023.118075
4. Modified carbon anotubes/polyvinyl alcohol composite electrothermal films / Liu X.-L., Li M., Geng W.-H., Cao W., Tian Y.-H., Li T.-Y., Bin P.-S., Qian P.-F., Geng H.-Z. // Surfaces and Interfaces. 2023, vol. 36, 102540. DOI: 10.1016/j.surfin.2022.102540
5. Highly stretchable, fast thermal response carbon nanotube composite heater / Xu F., Aouraghe M.A., Xie X., Zheng L., Zhang K., Fu K.K. // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2021, vol. 147, 106471. DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106471
6. Fabrication of high-performance thermally conductive and electrically insulating polymer composites with siloxane/multi-walled carbon nanotube core-shell hybrids at low filler content / Wang Z.-Y., Sun X., Wang Y., Liu J.-D., Zhang C., Zhao Z.-B., Du X.-Y. // Polymer. 2022, vol. 262, 125430. DOI: 10.1016/ j.polymer.2022.125430
7. Covalently interconnected carbon nanotubes network enhancing thermal conductivity of EP-based composite / Li X., Wu B., Chen P., Xia R., Qian J. // Composites Communications. 2023, vol. 40, 101591. DOI: 10.1016/j.coco.2023.101591
8. Jin L., Zhou C.B. Alignment of carbon nanotubes in a polymer matrix by mechanical stretching // Applied Physics Letters. 1998, vol. 73, 1197-1199.
9. Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS / Matarredona O., Rhoads H. et al. // Journal of Physical Chemistry B. 2003, vol. 107, no. 48, pp. 13357-13367.
10. The role of surfactants in dispersion of carbon nanotubes / Vaisman L., Wagner H.D. et al. // Advances in Colloid and Interface Science. 2006, vol. 128, pp. 37-46.
11. Control of carbon nanotubes at the interface of a co-continuous immiscible polymer blend to fabricate conductive composites with ultralow percolation thresholds / Huang J., Mao C., Zhu Y., Jiang W., Yang X. // Carbon. 2014, vol. 73, pp. 267-274. DOI: 10.1016/ j.carbon.2014.02.063
12. Enhancing the electrical conductivity of PA6/PPO/ CNT/CCB nanocomposites via control of PA6 transcrystalline layer formation, morphology, and selective localization of nanofillers / Farhadpour M., Pircheraghi G., Marouf B.T., Bagheri R.// Polymer Testing. 2023, vol. 121, 107978. DOI: 10.1016/ j.polymertesting.2023.107978
13. Interfacial distribution and compatibilization of imidazolium functionalized CNTs in poly(lactic acid)/polycaprolactone composites with excellent EMI shielding and mechanical properties / Huang B., Wang Z., Tu J., Liu C., Xu P., Ding Y. // International Journal of Biological Macromolecules. 2023, vol. 227, pp. 1182-1190. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2022. 11.304
14. Selective localization of reduced graphene oxides at the interface of PLA/EVA blend and its resultant electrical resistivity / Shen Y., Zhang T.-T., Yang J.-H., Zhang N., Huang T., Wang Y. // Polymer Composites. 2015, vol. 38, no. 9. DOI: 10.1002/pc.23769
15. Construction of unique conductive networks in carbon nanotubes/polymer composites via poly(ε-caprolactone) inducing partial aggregation of carbon nanotubes for microwave shielding enhancement / Tao J.-R., Luo C.-L., Huang M.-L., Weng Y.-X., Wang M. // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023, vol. 164, 107304. DOI: 10.1016/j.compositesa. 2022.107304
16. Evaluation of the morphology of metal particles in intrinsic conductive polymer dispersions / Lempa E., Graßmann C., Rabe M., Schwarz-Pfeiffer A., van Langenhove L. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017, vol. 254, no. 2, 022006. DOI: 10.1088/1757-899X/254/2/022006
17. Lempa E., Rabe M., van Langenhove L. Dispenser printing with electrically conductive microparticles. Solid State Phenomena. Trans Tech Publications, Ltd. 2022, vol. 333, pp. 31-38. DOI: 10.4028/p-zs1155
18. Electrical conductivity and electromagnetic interference shielding effectiveness of elastomer composites: Comparative study with various filler systems / Shetty H.D., Ashok Reddy G.V., Ramasamy V., Kaliprasad C.S., Daruka Prasad B., Yogananda H.S., Naik R., Prasad V., Koyyada G., Kumar Y.A. // Inorganic Chemistry Communications. 2023, vol. 151, 110578. DOI: 10.1016/j.inoche.2023.110578
19. 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, no. 2, pp. 121-132.
20. Shchegolkov A.V., Shchegolkov A.V. Antiobledenitel'nye sistemy na osnove elastomerov, modificirovannyh uglerodnymi nanostrukturami, s effektom samoregulirovaniya temperatury [Anti-icing systems based on elastomers modified with carbon nanostructures with self-regulating temperature effect]. Natural Resources of the Arctic and Subarctic. 2022, vol. 27, no. 1, pp. 141-151. (In Russ.)
21. Magnetic properties and transmission electron microscopy studies of Ni nanoparticles encapsulated in carbon nanocages and carbon nanotubes / He C., Zhao N., Shi C., Li J., Li H. // Materials Research Bulletin. 2008, vol. 43, no. 8-9, pp. 2260-2265. DOI: 10.1016/ j.materresbull.2007.08.015
22. Lightweight porous cobalt-encapsulated Nitrogen-Doped Carbon nanotubes for tunable, efficient and stable electromagnetic waves absorption / Jiang B., Yang W., Wang C., Bai H., Ma G., Li Z., Zhang C., Li S., Chen N., Ta N., Wang X., Li Y.// Carbon. 2023, vol. 202, no. 1, pp. 173-186. DOI: 10.1016/j.carbon. 2022.10.032
23. Синтез и исследование катодных материалов на основе углеродных нанотрубок для литий-ионных аккумуляторов / Щегольков А.В., Комаров Ф.Ф., Липкин М.С., Мильчанин О.В., Парфимович И.Д., Щегольков А.В., Семенкова А.В., Величко А.В., Чеботов К.Д., Нохаева В.А. // Перспективные материалы. 2021. Т. 2. С. 66-76. DOI: 10.30791/ 1028-978X-2021-2-66-76
24. Щегольков А.В. Сравнительный анализ тепловых эффектов в эластомерах, модифицированных МУНТ при постоянном электрическом напряжении // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. №1(55). С. 63-73. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-1-63-73
25. Zhu W., Zhao Z., Qiu J. In situ synthesis of Fe-filled carbon nanotubes by a floating CVD method with FeCl3 as catalyst precursor // Carbon. 2009, vol. 47, no. 12, pp. 2943-0. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.06.014