chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-4-345-351chemicallytech-1727Research ArticleSYNTHESIS AND PROCESSING OF POLYMERS AND POLYMERIC COMPOSITESСИНТЕЗ И ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕEffect of relaxation processes during deformation on electrical resistivity of carbon black polypropylene compositesВлияние релаксационных процессов при деформировании на электрическое сопротивление полипропиленовых композитов с техническим углеродомhttps://orcid.org/0000-0001-7952-7419МарковА. В.MarkovA. V.

Марков Анатолий Викторович, д.т.н., профессор кафедры химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

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

Anatoly V. Markov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemistry and Technology of Plastic Processing and Polymer Composites, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

markovan@bk.ruТарасоваК. С.TarasovaK. S.

Тарасова Кристина Сергеевна, магистр кафедры химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

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

Kristina S. Tarasova, Master, Department of Chemistry and Technology of Plastic Processing and Polymer Composites, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

shkarypa-kristina1992@ya.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5768-9107МарковВ. А.MarkovV. A.

Марков Василий Анатольевич, аспирант кафедры химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов, Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

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

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

vasily@markov.bizМИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова)РоссияMIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical TechnologiesRussian Federation202128092021164345351Copyright © Markov A.V., Tarasova K.S., Markov V.A., 20212021Марков А.В., Тарасова К.С., Марков В.А.Markov A.V., Tarasova K.S., Markov V.A.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/1727

Objectives. To study the relationship between bending deformation and the change in the electrical resistance of carbon black polypropylene composites.Methods. Conductive polypropylene composites filled with carbon black UM-76 were investigated. The samples were deformed and kept under constant bending at temperatures of 20–155 °C.Results. The deformation of the samples led to a reversible increase in their electrical resistance, while subsequent holding of the samples in the deformed state was accompanied by an exponential drop in their electrical resistance. The average times and activation energies of the electrical relaxation of the deformed polypropylene composites were calculated (30–32 kJ/mol) and compared with similar characteristics of polyethylene composites (15–16 kJ/mol).Conclusions. The electrical resistance relaxation of deformed carbon black polypropylene composites at elevated temperatures is similar to their stress relaxation. The average times and activation energies of the electrical relaxation of deformed polypropylene composites are comparable with similar data on their mechanical relaxation. It was found that these electrical and mechanical phenomena are based on the same underlying physical processes.

Цели. Работа посвящена изучению влияния деформации изгиба при повышенных температурах на изменение электрического сопротивления электропроводящих полипропиленовых композитов, наполненных техническим углеродом.Методы. Исследовались полипропиленовые композиты с техническим углеродом УМ-76. Образцы изгибались и выдерживались при заданном прогибе в интервале 20–155 °C.Результаты. При деформировании образцов наблюдался обратимый рост электрического сопротивления. Последующая выдержка образцов в деформированном состоянии сопровождалась экспоненциальным падением их электрического сопротивления. Были рассчитаны средние времена и энергия активации электрической релаксации деформированных полипропиленовых композитов (30–32 кДж/моль), а также проведено их сравнение с аналогичными характеристиками полиэтиленовых композитов (около 14–16 кДж/моль).Выводы. При механическом деформировании электропроводящих полипропиленовых композитов с техническим углеродом, в том числе при повышенных температурах, характер релаксации электрического сопротивления аналогичен характеру релаксации механического напряжения. Средние времена и энергия активации электрической релаксации деформированных полипропиленовых композитов сопоставимы с аналогичными показателями для механической релаксации. Это указывает на общий механизм этих процессов.

электропроводящий полипропилентехнический углеродэлектрическое сопротивлениедеформациярелаксацияэффект ПТКconductive polypropylene compositescarbon blackelectrical resistivitydeformationrelaxationPTC effectРабота выполнена при поддержке государственной субсидии (базовая часть) № 496332017/54 от 01.02.2017 г.This work was supported by the state subsidy (basic part) No. 496332017/54 dated 01.02.2017.ReferencesZhang W., Dehghani-Sanij A.A., Blackburn. R.S. Carbon based conductive polymer composites. J. Mater. Sci. 2007;42(10):3408–3418. https://doi.org/10.1007/s10853-007-1688-5Zhang W., Dehghani-Sanij A.A., Blackburn. R.S. Carbon based conductive polymer composites. J. Mater. Sci. 2007;42(10):3408–3418. https://doi.org/10.1007/s10853-007-1688-5Carmona F., Canet R., Delhaes P. Piezoresistivity of heterogeneous solids. J. Appl. Phys. 1987;61(7):2550–2558. https://doi.org/10.1063/1.337932Carmona F., Canet R., Delhaes P. Piezoresistivity of heterogeneous solids. J. Appl. Phys. 1987;61(7):2550–2558. https://doi.org/10.1063/1.337932Flandin L., Cavaille J., Brechet Y., Dendievel R. Characterization of the damage in nanocomposite materials by a.c. electrical properties: experiment and simulation. J. Mater. Sci. 1999;34:1753–1759. https://doi.org/10.1023/A:1004546806226Flandin L., Cavaille J., Brechet Y., Dendievel R. Characterization of the damage in nanocomposite materials by a.c. electrical properties: experiment and simulation. J. Mater. Sci. 1999;34:1753–1759. https://doi.org/10.1023/A:1004546806226De Focatiis D.S.A., Hull D., Sánchez-Valencia A. Roles of prestrain and hysteresis on piezoresistance in conductive elastomers for strain sensor applications. Plastics, Rubber and Composites. 2012;41(7):301–309. https://doi.org/10.1179/1743289812Y.0000000022De Focatiis D.S.A., Hull D., Sánchez-Valencia A. Roles of prestrain and hysteresis on piezoresistance in conductive elastomers for strain sensor applications. Plastics, Rubber and Composites. 2012;41(7):301–309. https://doi.org/10.1179/1743289812Y.0000000022Chodák I., Podhradská S., Jarcusková J., Jurciová J. Changes in Electrical Conductivity During Mechanical Deformation of Carbon Black Filled Elastomeric Matrix. Open Macromol. J. 2010;4:32–36.Chodák I., Podhradská S., Jarcusková J., Jurciová J. Changes in Electrical Conductivity During Mechanical Deformation of Carbon Black Filled Elastomeric Matrix. Open Macromol. J. 2010;4:32–36.Krückel J., Starý Z., Schubert D.W. Oscillations of the electrical resistance induced by shear deformation in molten carbon black composites. Polymer. 2013;54(3):1106–1113. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2012.12.051Krückel J., Starý Z., Schubert D.W. Oscillations of the electrical resistance induced by shear deformation in molten carbon black composites. Polymer. 2013;54(3):1106–1113. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2012.12.051Vigueras-Santiago E., Hernández-López S., CamachoLópez M.A., Lara-Sanjuan O. Electric anisotropy in high density polyethylene + carbon black composites induced by mechanical deformation. J. Phys.: Conf. Ser. 2009;167(1):012039. https://doi.org/10.1088/1742-6596/167/1/012039Vigueras-Santiago E., Hernández-López S., CamachoLópez M.A., Lara-Sanjuan O. Electric anisotropy in high density polyethylene + carbon black composites induced by mechanical deformation. J. Phys.: Conf. Ser. 2009;167(1):012039. https://doi.org/10.1088/1742-6596/167/1/012039Chen Y., Song Y., Zhou J., Zheng Q. Effect of uniaxial pressure on conduction behavior of carbon black filled poly(methyl vinyl siloxane) composites. Chin. Sci. Bull. 2005;50(2):101–107. https://doi.org/10.1007/BF02897510Chen Y., Song Y., Zhou J., Zheng Q. Effect of uniaxial pressure on conduction behavior of carbon black filled poly(methyl vinyl siloxane) composites. Chin. Sci. Bull. 2005;50(2):101–107. https://doi.org/10.1007/BF02897510Aneli J.N., Zaikov G.E., Mukbaniani O.V. Electric Conductivity of Polymer Composites at Mechanical Relaxation. Chem. Chem. Technol. 2011;5(2):187–190. https://doi.org/10.23939/chcht05.02.187Aneli J.N., Zaikov G.E., Mukbaniani O.V. Electric Conductivity of Polymer Composites at Mechanical Relaxation. Chem. Chem. Technol. 2011;5(2):187–190. https://doi.org/10.23939/chcht05.02.187Knite M., Teteris V., Kiploka A. Polyisoprenecarbon black nanocomposites as tensile strain and pressure sensor materials. Sensors and Actuators A: Physical. 2004;110(1–3):142–149. Part of special issue: Selected Papers from: The 16th European Conference on SolidState Transducers. Prague: 2002; 116–119. https://doi.org/10.1016/j.sna.2003.08.006Knite M., Teteris V., Kiploka A. Polyisoprenecarbon black nanocomposites as tensile strain and pressure sensor materials. Sensors and Actuators A: Physical. 2004;110(1–3):142–149. Part of special issue: Selected Papers from: The 16th European Conference on SolidState Transducers. Prague: 2002; 116–119. https://doi.org/10.1016/j.sna.2003.08.006Starý Z., Krückel J., Schubert D., Münstedt H. Behavior of Conductive Particle Networks in Polymer Melts under Deformation. AIP Conf. Proc. 2011;1375(1):232–239. https://doi.org/10.1063/1.3604483Starý Z., Krückel J., Schubert D., Münstedt H. Behavior of Conductive Particle Networks in Polymer Melts under Deformation. AIP Conf. Proc. 2011;1375(1):232–239. https://doi.org/10.1063/1.3604483Hatami K., Grady B.P., Ulmer M.C. SensorEnabled Geosynthetics: Use of Conducting Carbon Networks as Geosynthetic Sensors. J. Geotch. Geoenv. Eng. 2009;135(7):863–874. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000062Hatami K., Grady B.P., Ulmer M.C. SensorEnabled Geosynthetics: Use of Conducting Carbon Networks as Geosynthetic Sensors. J. Geotch. Geoenv. Eng. 2009;135(7):863–874. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000062Марков В.А., Кандырин Л.Б., Марков А.В. Сорокина Е.А. Влияние силанольного сшивания на электрические характеристики и теплостойкость полиэтиленовых композитов с техническим углеродом. Пластические массы. 2013;(10):21–24.Markov V.A. Kandyrin L.B. Markov A.V., Sorokina E.A. Effect of silane-crosslinking on electrical properties and heat resistance of carbon black-filled polyethylene composites. Plasticheskie massy. 2013;(10):21–24 (in Russ.).Markov V.A., Markov A.V., Poldushov M.A., Abysov E.Y. The influence of the method used to prepare electrically conductive composites based on polyethylene, polypropylene, and carbon black on their properties at elevated temperatures. Int. Polym. Sci. Technol. 2016;43(3):Т13–Т18. https://doi.org/10.1177/0307174x1604300303Markov V.A., Markov A.V., Poldushov M.A., Abysov E.Y. The influence of the method used to prepare electrically conductive composites based on polyethylene, polypropylene, and carbon black on their properties at elevated temperatures. Int. Polym. Sci. Technol. 2016;43(3):Т13–Т18. https://doi.org/10.1177/0307174x1604300303Rogers N., Khan F. Characterization of deformation induced changes to conductivity in an electrically triggered shape memory polymer. Polym. Test. 2013;32(1):71–77. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2012.10.001Rogers N., Khan F. Characterization of deformation induced changes to conductivity in an electrically triggered shape memory polymer. Polym. Test. 2013;32(1):71–77. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2012.10.001Wang P., Ding T. Conductivity and piezoresistivity of conductive carbon black filled polymer composite. J. App. Polym. Sci. 2010;116(4):2035–2039. https://doi.org/10.1002/app.31693Wang P., Ding T. Conductivity and piezoresistivity of conductive carbon black filled polymer composite. J. App. Polym. Sci. 2010;116(4):2035–2039. https://doi.org/10.1002/app.31693Марков В.А., Кандырин Л.Б., Марков А.В. Влияние технологических добавок на электрические характеристики ПЭ композитов с техническим углеродом. Вестник МИТХТ. 2013;8(6):103–107.Markov V.A., Kandyrin L.B., Markov A.V. The influence of technological additives on electrical properties of carbon black-filled polyethylene composites. Fine Chemical Technologies. 2013;8(6):103–107 (in Russ.).Марков В.А., Кандырин Л.Б., Марков А.В. Влияние деформирования на электрическое сопротивление композиционных материалов на основе ПЭ с техническим углеродом. Конструкции из композиционных материалов. 2013;4(132):40–44.Markov V.A., Kandyrin L.B., Markov A.V. Effect of strain on electrical resistivity of carbon black filled polyethylene composites. Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov = Composite materials constructions. 2013;4(132):40–44 (in Russ.).Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Издательство «Лабиринт». 1994. 367 с.Gul’ V.E., Kuleznev V.N. Struktura i mekhanicheskie svoistva polimerov (The structure and mechanical properties of polymers). Moscow: Labirint; 1994. 367 р. (in Russ.).Markov V.A., Markov A.V., Tahseen A.Saki. Effect of relaxation processes during deformation on electrical resistivity of polyethylene composites filled with carbon black. J. Polym. Res. 2016;23(9):191. https://doi.org/10.1007/s10965-016-1088-0Markov V.A., Markov A.V., Tahseen A.Saki. Effect of relaxation processes during deformation on electrical resistivity of polyethylene composites filled with carbon black. J. Polym. Res. 2016;23(9):191. https://doi.org/10.1007/s10965-016-1088-0

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