Марков Анатолий Викторович, д.т.н., профессор, кафедра химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
Scopus Author ID 57222377754
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Anatoly V. Markov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemistry and Technology of Plastics and Polymer Composites Processing, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies
Scopus Author ID 57222377754
78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454
Зверев Александр Евгеньевич, аспирант, кафедра химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
Scopus Author ID 59394532100, ResearcherID ABJ-9575-2022
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Alexander E. Zverev, Postgraduate Student, Department of Chemistry and Technology of Plastics and Polymer Composites Processing, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies
Scopus Author ID 59394532100, ResearcherID ABJ-9575-2022
78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454
Калугина Елена Владимировна, д.х.н., заместитель директора; профессор, кафедра химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
Scopus Author ID 6603064139
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
119530, Москва, Очаковское шоссе, д. 18, стр. 3
Elena V. Kalugina, Dr. Sci. (Chem.), Deputy Director; Professor, Department of Chemistry and Technology of Plastics and Polymer Composites Processing, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies
Scopus Author ID 6603064139
78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454
18/3, Ochakovskoe sh., Moscow, 119530
Марков Василий Анатольевич, к.т.н., ведущий инженер-программист
Scopus Author ID 57189505018
119192, Москва, Раменский бульвар, д. 1, Инновационный научно технологический центр МГУ «Воробьевы горы», кластер «Ломоносов»
Vasily A. Markov, Cand. Sci. (Eng.), Lead Software Engineer
Scopus Author ID 57189505018
1, Ramenskii bul., MSU Innovative Scientific and Technological Center “Vorob’evy Gory,” cluster “Lomonosov,” Moscow, 119192
Objectives. The effects of positive and negative temperature coefficients (PTC and NTC, respectively) in carbon black-filled conductive polymer composites based on high-density polyethylene grade 277-73 and polypropylene grade 01050 were investigated. Carbon black electrically conducting grade OMCARB C-140 (UM-76) was used as the filler.
Methods. To study the electrical characteristics of the compositions, plates were pressed with brass contact electrodes at the plate ends to simulate polymer heaters. The electrical resistance of the samples was evaluated using an ohmmeter DT9208A (RESANTA, Latvia). Tests at elevated temperatures were carried out in an SNOL 3.5 heat chamber (NPF TherMIX, Russia) with a heating rate of ~3℃/min. The crystallinity of the samples during heating was assessed by differential scanning calorimetry on a DSC 204F1 Phoenix device (NETZSCH, Germany) with a heating rate of 3℃/min.
Results. The complex PTC and NTC mechanisms in mixed polymer compositions are not solely related to thermal expansion and melting of the polymer. While changes in the electrical resistance of carbon-filled polymer composites are associated with the presence of crystalline regions with defects, the destruction of the conductive channels occurs at the earliest stages of polymer melting due to the formation of expanding amorphous “microdroplets” of the hot melt. For a carbon-filled, electrically conductive mixture of polyethylene and polypropylene, the magnitude and nature of the change in the peak temperature of the PTC depends on the melting onset temperature of the lowest-melting phase of polyethylene. At the same time, the heterogeneity of the mixtures of crystallizing polymers with technical carbon increases the thermal stability of the material by expanding the PTC zone into the melting region of the higher-melting phase of polypropylene. When comparing electrically conductive compositions of polymers with different melting points and carbon black, the low-melting polymer determines the temperature of self-regulation and the nature of PTC, while the high-melting polymer shifts the jump in electrical conductivity to the region of elevated temperatures.
Conclusions. The activation energies of carbon-filled mixtures of polyethylene and polypropylene, which are weakly dependent on the mixing method, are approximately 44 ± 3 kJ/mol. The obtained values are consistent with the activation energy values for the viscous melt flow process. The method of mixing the components in mixtures of carbon-filled compositions based on crystallizing polymers was found to have little effect on PTC. The use of carbon-filled polymer compositions with a mixed matrix of polyethylene and polypropylene allows for the regulation of the intensity of PTC and NTC.
Цели. Исследовать эффекты положительного и отрицательного температурных коэффициентов (ПТК и ОТК соответственно) саженаполненных электропроводных полимерных композиционных материалов на основе полиэтилена высокой плотности марки 277-73 и полипропилена марки 01050, где в качестве наполнителя использовали технический углерод специальной электропроводной марки Omcarb C-140 (УМ-76).
Методы. Для исследования электрических характеристик композиций были отпрессованы пластины с запрессованными на концах контактными электродами из обезжиренной латунной сeтки, моделирующие полимерные нагреватели. Электрическое сопротивление образцов оценивали с помощью омметра DT9208A (РЕСАНТА, Латвия). Испытания при повышенных температурах проводили в термошкафу СНОЛ 3.5 (НПФ ТермИКС, Россия) со скоростью нагревания ~3℃/мин. Степень кристалличности образцов при нагревании оценивали методом дифференциальной сканирующей калориметрии на приборе DSC 204F1 Phoenix (NETZSCH, Германия) со скоростью нагревания 3℃/мин.
Результаты. Показано, что механизмы ПТК и ОТК в смесевых полимерных композициях носят комплексный характер и не связаны только с тепловым расширением и плавлением полимера. Изменение электрического сопротивления саженаполненных полимерных композиций происходит из-за наличия дефектных кристаллических участков. На ранних стадиях начала плавления полимера токопроводящие каналы разрушаются за счет появления расширяющихся аморфных «микрокапель» его расплава. Для саженаполненной электропроводной смесевой композиции полиэтилена и полипропилена величина и характер изменения пика ПТК зависят от температуры начала плавления наиболее низкоплавкой фазы полиэтилена. При этом гетерогенность смесей кристаллизующихся полимеров с техническим углеродом повышает термическую устойчивость материала за счет расширения зоны ПТК в область плавления более высокоплавкой фазы полипропилена. Для электропроводных композиций двух полимеров с различной температурой плавления и технического углерода показано, что низкоплавкий полимер задает температуру «саморегулирования» и характер ПТК, в то время как высокоплавкий полимер смещает скачок электрической проводимости материала в область повышенных температур.
Выводы. Установлено, что энергии активации смесевых саженаполненных композиций полиэтилена с полипропиленом мало зависят от способов смешения и составляют 44 ± 3 кДж/моль. Полученные величины совпадают со значениями энергии активации процесса вязкого течения расплава. Установлено, что способ совмещения компонентов смесей саженаполненных композиций на основе кристаллизующихся полимеров мало влияет на эффект ПТК. Установлено, что использование саженаполненных полимерных композиций со смесевой матрицей полиэтилена и полипропилена позволяет регулировать интенсивность эффектов ПТК и ОТК.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.