chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2018-13-1-75-92chemicallytech-136Research ArticleSYNTHESIS AND PROCESSING OF POLYMERS AND POLYMERIC COMPOSITESСИНТЕЗ И ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕCONDUCTIVITY AT ALTERNATING CURRENT OF THIN FILMS OF POLYCHLOROPRENE FORMED IN ELECTRIC FIELDПРОВОДИМОСТЬ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛИХЛОРОПРЕНА, СФОРМИРОВАННЫХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕКомоваН. Н.KomovaN. N.

доцент, кандидат химических наук, доцент кафедры физики и технической механики

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Docent, Ph.D. (Сhemistry), Associate Professor of the Chair of Physics and Technical Mechanics

86, Vernadskogo Pr., Moscow, 119571, Russia

komova_@mail.ruМосковский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)РоссияMoscow Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation2018280220181317592Copyright © Komova N.N., 20182018Комова Н.Н.Komova N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/136

The temperature dependences of conductivity at alternating current (a frequency of 1 kHz) were studied for thin polychloroprene films formed from a solution on metal electrodes having different polarities: anode, cathode and zero potential. It was found that the nature and form of the temperature dependence of the conductivity of the investigated polymer film depends on the method of sample formation. Temperature regions of maximum conductivity were detected. The realization of the heating cycle followed by the film cooling in a limited region between the electrodes under the action of an alternating electric field leads to an increase in the specific conductivity and a shift of the extreme values to the region of lower temperatures. This effect is manifested to the greatest extent for films formed at the cathode. The process of heating and subsequent cooling is of hysteresis nature both for permittivity and for the dielectric loss tangent. The dependence of dielectric loss tangent on permittivity in a rather wide temperature range is inversely proportional. During the analysis of temperature dependences the mechanism of conductivity was studied for polychloroprene thin films at direct and alternating current. The determined activation energies of the polymeric system conductivity change enable concluding that the mechanisms of electric conductivity at direct and alternating current are of similar nature. The extreme values of permittivity may be due to structural alterations in the process of heating. This is confirmed by the data on the temperature dependence of dielectric loss tangent. In order to explain conductivity at direct current a model of dipole traps is offered.

Исследованы температурные зависимости проводимости на постоянном и переменном токе (частота 1 кГц) тонких пленок полихлоропрена, сформированных из раствора четыреххлористого углерода на металлических электродах, имеющих различную полярность: аноде, катоде и при нулевом потенциале. Установлено, что в зависимости от метода формирования пленки исследованного полимера изменяется характер и вид температурной зависимости проводимости, что объясняется изменением механизма переноса заряда. Обнаружены температурные области максимальной проводимости. Показано, что реализация цикла нагрева с последующим охлаждением пленки в ограниченной области между электродами под действием переменного электрического поля приводит к увеличению удельной проводимости и смещению экстремальных значений в область более низких температур. В наибольшей степени этот эффект проявляется для пленок, сформированных на катоде. Процесс нагрева с последующим охлаждением носит гистерезисный характер и для удельной проводимости, и для тангенса угла диэлектрических потерь. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от удельной проводимости в достаточно широкой температурной области измерений имеет обратно пропорциональный характер. В процессе анализа температурных зависимостей исследован механизм проводимости для тонких пленок полихлоропрена на постоянном и переменном токе. Найденные энергии активации процесса изменения проводимости полимерной системы дают основание заключить, что при постоянном и переменном токе механизмы электрической проводимости имеют близкий характер. Возникновение экстремальных значений величин удельной проводимости можно связать со структурными перестройками в процессе нагревания, что подтверждают данные по температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь. Для объяснения проводимости на постоянном токе предложена модель дипольных ловушек.

проводимость полимеров на переменном и постоянном токемеханизмы переноса зарядаэлектропроводимость в тонких пленкахполихлоропренполярные эластомерыconductivity of polymers at alternating and direct currentcharge transfer mechanismselectrical conductivity of thin filmspolychloroprenepolar elastomersReferencesБлайт Э.Р., Блур Д. Электрические свойства полимеров. М.: Физматлит, 2008. 376 с.Blythe T., Bloor D. Electrical properties of polymer. Cambridge University Press, 2005. 376 р.Сажин Б.И., Лобанов А.М., Романовская О.С. Электрические свойства полимеров. Л.: Химия, 1970. 376 с.Sazhin B.I., Lobanov L.N., Romanovskaya O.S. Electrical properties of polymers. Moscow: Khimiya Publ., 1970. 376 p. (in Russ.)Сажин Б.Н., Орлова Т.П., Лобанов Л.Н. Исследование диэлектрических потерь полистирола и некоторых сополимеров стирола в стеклообразном состоянии // Высокомолек. соед. 1968. Т. А10. № 8. С. 1921-1929.Sazhin B.N., Orlova T.P., Lobanov L.N. Investigation of the dielectric losses of polystyrene and some styrene copolymers in the glassy state // Vysokomolek. soyed. A. (Polymer Science. A). 1968. V. A10. № 8. P. 1921–1929. (in Russ.)Комова Н.Н., Сыров Ю.В., Григорьев М.А. Физическая природа проводимости этиленпропиленового сополимера, наполненного хлоридом олова // Вестник МИТХТ. 2006 Т. 1. № 6. С. 58-62.Komova N.N., Syrov Yu.V., Grigoryev M.A. Physical nature of the conductivity of ethylenepropylene copolymer filled with tin chloride // Vestnik MITHT (Fine Chemical Technologies). 2006. V. 1. № 8. P. 58–62. (in Russ.)Комова Н.Н., Капитонов В.М., Прохоров А.И. Использование физической модели самосогласованного поля для описания проводимости эластомера, наполненного солями олова / Деп. в ВИНИТИ 23.11.06. №1452- В 2006.Komova N.N., Kapitonov V.M., Prokhorov A.I. Using the physical model for describing the self-consistent field conduction elastomer filled tin salts. / Deposited in VINITI 23.11.06. №1452-V. 2006. (in Russ.)Комова Н.Н., Заиков Г.Е. Исследование электропроводимости этиленпропиленового сополимера, наполненного хлоридом олова // Теор. основы хим. технологии. 2007. Т. 41. № 5. С. 562-565.Komova N.N., Zaikov G.E. Investigation of the electrical conductivity of an ethylene-propylene copolymer filled with tin chloride // Teoreticheskiye osnovy khimicheskoy tekhnologii (Theoretical Foundations of Chemical Technology). 2007. V. 41. № 5. P. 562–565. (in Russ.)Гуль В.Е., Шенфиль Л.З. Электропроводящие полимерные композиции. М.: Наука, 1984. 240 с.Gul V.E., Shenfil L.Z. Electroconductive polymer compositions. Moscow: Nauka Publ., 1984. 240 p. (in Russ.)Komova N.N., Zaikov G.E., Kapitonov V.M.., Prokhorov A.I. Analysis of modeling representation of polydisperse systems conductivity on example of salts filled elastomer // In: Progress in Chemical and Biochemical Physics, Kinetics and Thermodynamics. New York: Nova Science Publishers, Inc., 2007. P. 111-127.Komova N.N., Zaikov G.E., Kapitonov V.M.., Prokhorov A.I. Analysis of modeling representation of polydisperse systems conductivity on example of salts filled elastomer // In: Progress in Chemical and Biochemical Physics, Kinetics and Thermodynamics. New York: Nova Science Publishers, Inc., 2007. P. 111–127.Крылов В.К., Колесников В.А., Тедорадзе М.Г., Комова Н.Н. Переключение проводимости в тонких полимерных слоях // Труды седьмой ежегодной молодежной конф. ИБХФ РАН - ВУЗы «Биохимическая физика». 12-14 ноября 2007. С. 157-161.Krylov V.K., Kolesnikov V.A., Tedoradze M.G., Komova N.N. Conductivity switching in thin polymer layers // Proceed. of the Seventh Annual Youth Conference IBCP RAS–VUZy (Institute for Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences (RAS) – High Schools) "Biochemical Physics". November 12–14, 2007. P. 157–161. (in Russ.)Комова Н.Н. Модельные представления электропроводности систем, состоящих из полимеров, наполненных мелкодисперсным проводнико // Труды Всерос. научно-практ. конф. «Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе». Москва, МФЮА, 16-17 ноября 2009. Т. 2. С. 104-108.Komova N.N. Model representations of the electrical conductivity of systems consisting of polymers filled with a finely divided conductor // Proceed. of the All-Russian Scientific and Practical Conference "Mathematics, Informatics, Natural Science in Economics and Society". Moscow, Moscow University of Finance and Law, November 16–17, 2009. V. 2 P. 104–108. (in Russ.)Гарнье Ф. Проводящие полимеры // Успехи физ. наук. 1978. Т. 157. Вып. 3. С. 513-527.Garnier F. Conductive polymers // Uspekhi fizicheskikh nauk (Physics-Uspekhi). 1978. V. 157. Iss. 3. P. 513–527. (in Russ.)Комова Н.Н., Капитонов В.М., Барашкова И.И., Марков В.А. Влияние температуры на проводимость композитного полимерного материала, содержащего углевродный наполнитель // Материали за Х международна научна практична конференция «Найновите научни постижения - 2014». София: «Бял Град-БГ» ООД, 2014. Т. 29. Химия и химически технологии. Физика. С. 78-84.Komova N.N, Kapitonov V.M., Barashkova I.I., Markov V.A. Effect of temperature on the conductivity of a composite polymer material containing a carbon filler / Materials of the X Int. Scientific and Practical Conference “Nainovite nauchni postizheniya – 2014” (“The Newest Scientific Achievements – 2014”). Sofia: "Byal Grad-BG" Ltd., 2014. V. 29. Chemistry and Chemical Technologies. Physics. P. 78–84. (in Russ.)Komova N.N., Zibin D.I., Zaikov G.E. Thermodynamic aspects of the changes in the electrical conductivity of polyethylene filled carbon black / In: Pathways to Modern Physical Chemistry. An Engineering Approach witrh Multidisciplinary Applications / Ed. by R. Wolf, G.E. Zaikov, A.K. Haghi. Apply Academic Press, 2017. Chapter 20. P. 355-370.Komova N.N., Zibin D.I., Zaikov G.E. Thermodynamic aspects of the changes in the electrical conductivity of polyethylene filled carbon black / In: Pathways to Modern Physical Chemistry. An Engineering Approach witrh Multidisciplinary Applications / Ed. by R. Wolf, G.E. Zaikov, A.K. Haghi. Apply Academic Press, 2017. Chapter 20. P. 355–370.Лачинов А.Н., Корнилов В.М. , Загуренко Т.Г., Жеребов А.Ю. К вопросу о высокой проводимости несопряженных полимеров // ЖЭТФ. 2006. Т. 129. Вып. 4. С. 728-734.Lachinov A.N., Kornilov V.M., Zagurenko T.G., Zherebov A.Yu. On the problem of high conductivity of non-conjugated polymers // Zhurnal teoreticheskoy i eksperimental'noy fiziki (Journal of Theoretical and Experimental Physics). 2006. V. 129. Iss. 4. P. 728–734. (in Russ.)Гутман Ф. Органические полупроводники. М.: Энергоатомиздат, 1990. 257 с.Gutman F. Organic semiconductors. Moscow: Energoatomizdat Publ., 1990. 257 p. (in Russ.)Попова С.С., Денисов А.В., Рябухова Т.О., Окишева Н.А. Влияние химического модифицирования на электрические свойства межфазной границы пленочный катод/пленочный электролит // Конденсированные среды и межфазные границы. 2015. Т. 17. № 4. С. 487-497.Popova S.S., Denisov A.V., Ryabukhova T.O., Okisheva N.A. Effect of chemical modification on the electrical properties of the interphase boundary of a film cathode/film electrolyte // Kondensirovannyye sredy i mezhfaznyye granitsy (Condensed Media and Interface Boundaries). 2015. V. 17. № 4. P. 487–497. (in Russ.)Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1987. 678 с.Bonch-Bruevich V.L., Kalashnikov S.G. Physics of semiconductors. Moscow: Nauka Publ., 1987. 678 p. (in Russ.)Street G.B. Electronic structure and transport in the organic amorphous semiconductor polypyrrole / In: Handbook of Conducting Polymers. V. 1. / Ed. T.E. Scotheim. New York: Marcel Dekker, 1986. P. 265-278.Street G.B. Electronic structure and transport in the organic amorphous semiconductor polypyrrole / In: Handbook of Conducting Polymers. V. 1. / Ed. T.E. Scotheim. New York: Marcel Dekker, 1986. P. 265–278.Травень В.Ф. Электронная структура и свойства органических молекул. М.: Химия, 1989. 267 с.Traven V.F. Electronic structure and properties of organic molecules. Moscow: Khimiya Publ., 1989. 267 p. (in Russ.)Криничный В.И. Природа и динамика нелинейных возбуждений в проводящих полимерах. Гетероароматические полимеры // Успехи химии. 1996. Т. 65. № 6. С. 565-580.Krynichny V.I. The nature and dynamics of nonlinear excitations in conducting polymers. Heteroaromatic polymers // Uspekhi khimii (Advances in Chemistry). 1996. V. 65. № 6. P. 565–580. (in Russ.)Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Теория протекания и проводимость сильно неоднородных сред // Успехи физ. наук. 1975. Т. 117. № 3. С. 401-435.Shklovsky B.I., Efros A.L. The theory of flow and conductivity of highly inhomogeneous media. // Uspekhi fizicheskikh nauk (Physics-Uspekhi). 1975. V. 117. № 3. P. 401–435. (in Russ.)Mott N.F., Davis E.A. Electronic processes in non-crystalline materials. Oxford University Press, 1978. 221 р.Mott N.F., Davis E.A. Electronic processes in non-crystalline materials. Oxford University Press, 1978. 221 р.Borsenberger P.M., Pautmeier L., Bassler H. Charge transport in disordered molecular solids // J. Chem. Phys. 1991. V. 94. P. 5447-5454.Borsenberger P.M., Pautmeier L., Bassler H. Charge transport in disordered molecular solids // J. Chem.Phys. 1991. V. 94. P. 5447–5454.Брыксин В.В., Дьяконов М.Н., Муждаба В.М., Ханин С.Д. Анализ характера прыжковой проводимости по частотной зависимости тангенса угла потерь // Физика твердого тела (ФТТ). 1981. Т. 23. № 5. С. 1516-1519.Bryksin V.V., Dyakonov M.N., Muzhdaba V.M., Khanin S.D. Analysis of the nature of hopping conductivity with respect to the frequency dependence of the loss angle tangent // Fizika tverdogo tela (FTT) (Solid State Physics). 1981. V. 23. № 5. P. 1516–1519. (in Russ.)Солодуха А.М. Особенности прыжковой электропроводности в тонких слоях триоксида вольфрама // Вестник ВГУ. Серия: Физика. 2005. № 2. С. 70-76.Solodukha A.M. Features of hopping electrical conductivity in thin layers of tungsten trioxide.// Vestnik VGU. Seriya: Fizika. Matematika (Proceedings of Voronezh State University. Series: Physics. Mathematics). 2005. № 2. P. 70–76. (in Russ.)Lee P.A., Nagaosa N., Wen X.-G. Doping a mott insulator: Physics of high-temperature superconductivity // Rev. Modern Physics. 2006. V. 78. № 1. Р. 17-85.Lee P.A., Nagaosa N., Wen X.-G. Doping a mott insulator: Physics of high-temperature superconductivity // Rev. Modern Physics. 2006. V. 78. № 1. Р. 17–85.Тимонов А.М., Васильева А.М .Электронная проводимость полимерных соединений // Соросовский образовательный журнал. 2000. № 3. С. 33-39.Timonov A.M., Vasilyeva A.M. Electron conductivity of polymeric compounds // Soros' Educational Journal. 2000. № 3. P. 33–39. (in Russ.)Gong S., Zhu Z.H., Li Z. Electron tunnelling and hopping effects on the temperature coefficient of resistance of carbon nanotube/polymer V. 19. P. 5113-5120.Gong S., Zhu Z.H., Li Z. Electron tunnelling and hopping effects on the temperature coefficient of resistance of carbon nanotube/polymer nanocomposites // Phys. Chem. Chem. Phys . 2017. V. 19. P. 5113–5120.Borsenberger P.M., Bassler H. The role of polar additives on charge transport in molecularly doped polymers // Phys. Status Solidi (B). 1992. V. 170. Iss. 1. P. 291-302 .Borsenberger P.M., Bassler H. The role of polar additives on charge transport in molecularly doped polymers // Phys. Status Solidi (B). 1992. V. 170. Iss. 1. P. 291–302 .Efros A.L., Shklovskii B.I. Critical behaviour of conductivity and dielectric constant near the metalnon-metal transition threshold // Phys. Status Solidi (B). 1976. V. 76. P. 475-485.Efros A.L., Shklovskii B.I. Critical behaviour of conductivity and dielectric constant near the metalnon-metal transition threshold // Phys. Status Solidi (B). 1976. V. 76. P. 475–485.Emin D. Aspects of the theory of small-polarons in disordered materials / In: Electronic and Structural Properties of Amorphous Semiconductors / eds. P.G. LeComber, J. Mort . London: Academic Press, 1973. P. 261-328.Emin D. Aspects of the theory of smallpolarons in disordered materials / In: Electronic and Structural Properties of Amorphous Semiconductors / eds. P.G. LeComber, J. Mort . London: Academic Press, 1973. P. 261–328.Tyurin A., De Filpo G., Cupelli D., Nicoletta F.P., Mashin A.,Chidichimo G. Particle size tuning in silver-polyacrylonitrile nanocomposites // Express Polym. Lett. 2010. V. 4. № 2. P. 71-78.Tyurin A., De Filpo G., Cupelli D., Nicoletta F.P., Mashin A.,Chidichimo G. Particle size tuning in silver-polyacrylonitrile nanocomposites // Express Polym. Lett. 2010. V. 4. № 2. P. 71–78.Psarras G.C., Tsangaris G.M., Psarras G.C., Kouloumbi N. Electric modulus and interfacial polarization in composite polymeric systems // J. Materials Sci. 1998. V. 33. № 8. P. 2027-2037.Psarras G.C., Tsangaris G.M., Psarras G.C., Kouloumbi N. Electric modulus and interfacial polarization in composite polymeric systems // J. Materials Sci. 1998. V. 33. № 8. P. 2027–2037.Psarras G.C., Manolakaki E., Tsangaris G.M. Dielectric dispersion and ac conductivity in iron particles loaded polymer composites // Composites. Part A: Appl. Sci. & Manufact. 2003. V. 34. № 12. P. 1187-1198.Psarras G.C., Manolakaki E., Tsangaris G.M. Dielectric dispersion and ac conductivity in iron particles loaded polymer composites // Composites. Part A: Appl. Sci. & Manufact. 2003. V. 34. № 12. P. 1187–1198.Psarras G.C. Hopping conductivity in polymer matrix-metal particles composites // Composites. Part A: Appl. Sci. & Manufact. 2006. V. 37. № 10. P. 1545-1553.Psarras G.C. Hopping conductivity in polymer matrix–metal particles composites // Composites. Part A: Appl. Sci. & Manufact. 2006. V. 37. № 10. P. 1545–1553.Dyre J.C. Universality of ac conduction in disordered solids // Rev. Modern Physics. 2000. V. 72. № 3. P. 873-892.Dyre J.C. Universality of ac conduction in disordered solids // Reviews of Modern Physics. 2000. V. 72. № 3. P. 873–892.Schrоder T.B., Dyre J.C. Scaling and universality of ac conduction in disordered solids // Phys. Rev. Lett. 2000.V. 84. № 2. P. 310-313.Schrоder T.B., Dyre J.C. Scaling and universality of ac conduction in disordered solids // Phys. Rev. Lett. 2000.V. 84. № 2. P. 310–313.Энциклопедия полимеров: в 3-х т. Т. 3. Полиоксадиазолы. М.: Советская энциклопедия, 1977. 1152 с.Encyclopedia of polymers: in 3 vols. V. 3. Polyoxadiazoles. Moscow: Soviet Encyclopedia Publ., 1977. 1152 p.(in Russ.)Волькенштейн М.В.. Строение и физические свойства молекул. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1955. 638 с.Volkenshtein M.V. Structure and physical properties of molecules. Moscow-Leningrad: Academy of Sciences of USSR Publ., 1955. 638 p. (in Russ.)Соколова Л.В., Татаринов Г.А. К вопросу о различии в структурной организации каучуков СКН и БНКС // Каучук и резина. 2017. Т. 76. № 5. С. 274-279.Sokolova L.V., Tatarinov G.A. On the issue of the difference in the structural organization of SKN and BNSC rubbers // Kauchuk i rezina. 2017. V. 76. № 5. P. 274–279. (in Russ.)Колесников В.А., Тедорадзе М.Г., Крылов В.К. Эффект переключения проводимости в тонких слоях широкозонных полимеров // Материалы VI Междунар. научно-техн. конф. INTERMATIC 2007. Москва, МИРЭА, 2007. С. 52-55.Kolesnikov V.A., Tedoradze M.G., Krylov V.K. Conductivity switching effect in thin layers of wideband polymers. // Proceed. of the VI Int. Scientific and Technical Conference INTERMATIC 2007. Moscow, MREA, 2007. P. 52–55. (in Russ.)Лачинов А.Н., Воробьева Е.В. Электроника тонких слоев широкозонных полимеров // Успехи физ. наук. 2006. Т. 176. № 12. С. 1249-1266.Lachinov A.N., Vorobyeva E.V. Electronics of thin layers of wide-band polymers // Uspekhi fizicheskikh nauk (Physics-Uspekhi). 2006. V. 176. № 12. P. 1249–1266. (in Russ.)Скалдин О.А., Жеребов А.Ю., Лачинов А.Н., Чувыров А.Н., Делев В.А. Зарядовая неустойчивость в тонких пленках органических полупроводников // Письма в ЖЭТФ. 1990. Т. 51. Вып. 3. С. 141-144.Skaldin O.A., Zherebov A.Yu., Lachinov A.N., Chuvyrov A.N., Delev V.A. Charge instability in thin films of organic semiconductors // Pis’ma v ZhETF (Letters to the Journal of Experimental and Theoretical Physics). 1990. V. 51. № 3. P. 141–144. (in Russ.)Ванников А.В., Тамеев А.Р., Козлов А.А. Влияние ориентационной упорядоченности транспортных центров на электронную подвижность в полимерных пленках // Высокомолек. соед. А. 1998. Т. 40. № 7. С. 1164-1168.Vannikov A.V., Tameev A.R., Kozlov A.A. Influence of orientational ordering of transport centers on electronic mobility in polymer films. // Vysokomolek. soyed. A (Polymer Science. A) 1998. V. 40. № 7. P. 1164–1168. (in Russ.)Бартенев Г.М., Бартенева А.Г. Релаксационные свойства полимеров. М.: Химия, 1992. 384 с.Bartenev G.M., Barteneva A.G. Relaxation properties of polymers. Moscow: Khimiya Publ., 1992. 384 p. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.