chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2016-11-3-17-30chemicallytech-26Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИThe role of the interfacial layer in time -temperat ure dependence of the electrical resistance of hi gh-density polyethylene /carbon black compositesРоль межфазного слоя в температурно-временной зависимости электрического сопротивления системы полиэтилен высокой плотности/технический углеродКомоваН. Н.KomovaN. N.

доцент, кафедра прикладной механики и основ конструирования

Москва, 119571 Россия

Moscow, 119571 Russia

komova_@mail.ruМосковский технологический университет (Институт тонких химических технологий)Russian Federation2016280620161131730Copyright © Komova N.N., 20162016Комова 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/26

In order to explain the time-temperature dependence of the electrical resistance of HDPE filled with carbon black, a model is proposed, in which an important role is played by the interfacial layer between the solid-phase filler and the polymer matrix. It is shown that the change in the structure of the macromolecules in the interfacial layer can be characterized using fractal concepts. The fractal dimension increases as the size of the filler particles decreases, and this is accompanied by a decrease in electrical resistance. During isothermal annealing treatment of the samples the fractal dimension of the interfacial layer is changed from 2.3 to 3. Correlations of the observed parameters are presented. The activation energy of increasing resistance in the initial period of the sample treatments is calculated. It is shown that the electrostatic field restrains the increase of the fractal dimension of the interfacial layer and the change in the resistance of the filled systems.

Представлена полуколичественная вероятностная модель процессов изменения сопротивления полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), наполненного техническим углеродом (ТУ), при изотермическом нагревании, основанная на определяющей роли межфазного слоя. Показано, что изменение структуры макромолекул в межфазном слое можно охарактеризовать в рамках фрактальных представлений. В соответствии с представленной моделью проанализированы полученные экспериментальные данные по изменению сопротивления при выдержке образцов в электростатическом поле. Установлено, что приложение электростатического поля стабилизирует структуру наполненной системы, уменьшая изменение сопротивления системы ПЭВП/ТУ при прогреве.

полиэтилен высокой плотноститехнический углеродэнергия активации изменения электропроводностиотносительное удельное сопротивлениемежфазный слойфрактальная размерностьhigh density polyethylenecarbon blackactivation energy of electrical conductivity changesrelative resistivityinterfacial layerfractal dimensionReferencesBigg D.M. Electrical properties of metal-filled polymer composites // Metal-Filled Polymers: Properties and Applications / Ed. S.K. Bhattacharya. New York: Marcel Dekker, 1986. Р. 165-226.Bigg D.M. Electrical properties of metal-filled polymer composites // Metal-Filled Polymers: Properties and Applications / Ed. S.K. Bhattacharya. New York: Marcel Dekker, 1986. Р. 165–226.Delmonte J. Metal/Polymer Composites. New York: Van Nostrand Reinhold, 1990. 245 p.Delmonte J. Metal/Polymer Composites. New York: Van Nostrand Reinhold, 1990. 245 p.Donnet, J.B., Bansaland, R.C., Wang, M.J. Carbon Black: Science and Technology. New York: Marcel Dekker, 1993. 284 p.Donnet, J. B., Bansaland, R.C., Wang, M.J. Carbon Black: Science and Technology. New York: Marcel Dekker, 1993. 284 p.Wypych G. Handbook of Fillers: 2nd Ed. Chem. New York: Tec., 2000. 693 p.Wypych G. Handbook of Fillers: 2nd Edition Chem. New York: Tec., 2000. 693 p.Stauffer D., Aharony A. Introduction to Percolation Theory. New York: Taylor & Francis, 1991. 195 p.Stauffer D., Aharony A. Introduction to Percolation Theory. New York: Taylor & Francis, 1991. 195 p.Zallen R. The Physics of Amorphous Solids. New York: Wiley, 1983. 307 p.Zallen R. The Physics of Amorphous Solids. New York: Wiley, 1983. 307 p.Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул. М.: Наука, 1989. 341 с.Grosberg A.Yu., Khokhlov A.R. Statisticheskaya fizika makromolekul (Statistical physics of macromolecules). M.: Nauka, 1989. 341 p.De Gennes P. Scaling concepts in polymer physics. Ithaca and London: Cornell University Press, 1979. 331 p.De Gennes P. Scaling concepts in polymer physics. Ithaca and London: Cornell University Press, 1979. 331 p.Комова Н.Н., Сыров Ю. В., Григорьев М.А. // Вестник МИТХТ. 2006. Т. 1. № 5. С. 58-62.Komova N. N., Syrov Yu. V., Grigor'ev M.A. // Vestnik MITHT (Fine Chem. Tech.). 2006. № 5.V. 1. P. 58–62.Sommers D.J. // Polym. Plast. Technol. Eng. 1984. V. 23(1). P. 83-98.Sommers. D. J. // Polym. Plast. Technol. Eng.1984. V. 23(1). P. 83–98.Карпов С.В., Герасимов В.С., Исаев И.Л., Обущенко А.В. // Коллоидный журнал. 2006. Т. 68. № 4. С. 484-494.Karpov S.V., Gerasimov V.S., Isaev I.L., Obushchenko A.V. // Colloid Journal. 2006. V. 68. № 4. P. 484–494.Zhang W., Dehghani-Sanij A.A., Blackburn R.S. // J. Mater. Sci. 2007. V. 42. P. 3408-3418.Zhang W., Dehghani-Sanij A.A., Blackburn R.S. // J. Mater. Sci. 2007. V. 42. P. 3408–3418.Traina M., Pegoretti A., Penati A. // J. Appl. Polym. Sc. 2007. V. 106. P. 2065-2074.Traina M., Pegoretti A., Penati A. // J. Applied Polymer Science. 2007. V. 106. P. 2065–2074.Komova N.N., Shibryaeva L.S. // Abstr. XX Int. Сonf. on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT-2015). Nizhni Novgorod. 22-26 June 2015. Nizhni Novgorod, 2015. P. 256.Komova N.N., Shibryaeva L.S. // Abstr. XX Int. conf. on chemical thermodynamics in Russia (RCCT2015). Nizhhni Novgorod. 22-26 June 2015. Nizhhni Novgorod, 2015. P. 256.Марков В.А., Кандырин Л.Б., Марков А.В., Городницкий М.С. // Конструкции из композиционных материалов. 2013. № 3. С. 35-40.Markov V.A., Kandyrin L.B., Markov A.V., Gorodnickij M.S. // Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsii. 2013. № 3. P. 35–40.Komova N.N., Zaikov G.E. Model Representations of the Effect of Temperature on Resistance Polypropylene Filled with Carbon Black // Physical Chemistry Research for Engineering and Applied Sciences. 2014. V. 3: High Performance Materials and Methods. Apple Academic Press, Inc. 145 p.Komova N. N., Zaikov G. E. Model Representations of the Effect of Temperature on Resistance Polypropylene Filled with Carbon Black // Physical Chemistry Research for Engineering and Applied Sciences. 2014. V. 3: High Performance Materials and Methods. Apple Academic Press, Inc. 145 p.Zhang J.F., Zheng Q., Yang Y.Q., Yi X. S. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 83. P. 3112-3118.Zhang J. F., Zheng Q., Yang Y.Q., Yi X. S. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 83. P. 3112–3118.Комова Н.Н., Капитонов В.М., Барашкова И.И., Марков В.А. // Материалы Х Междунар. научно-практ. конф. «Дни науки 2014». Прага, 2014. С. 51-57.Komova N.N., Kapitonov V.M., Barashkova I.I., Markov V.A. // Materialy Х Mezhdunar. nauchno-prakt. konf. «Dni nauki 2014» [Materials of X Intern. nauchno-prakt. Conf. "The days of science 2014"]. Praga. 2014. P. 51–57.Lipatov Yu.S. Polymer Reinforcement. Toronto: Chem. Tech. Publishers, 1995. 278 p.Lipatov Yu.S. Polymer Reinforcement. Toronto: Chem. Tech. Publishers, 1995. 278 p.Ahmed S., Jones F.R. // Composites. 1988. V. 19. № 2. P. 277-282.Ahmed S., Jones F.R. // Composites. 1988. V. 19. № 2. P. 277–282.Барашкова И.И., Комова Н.Н., Мотякин М.В., Потапов Е.Э., Вассерман А.М. // ДАН. 2014. Т. 456. № 4. С. 437-440.Barashkova I.I., Komova N.N., Motyakin M.V., Potapov E.Eh., Vasserman A.M. // Doklady Akademii Nauk. 2014. V. 456. № 4. P. 437–440.Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surfaces. New York: Wiley Interscience, 1997. 784 p.Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surfaces. New York: Wiley Interscience, 1997. 784 p.Зеленый Л.М., Милованов A.B. // Успехи физ. наук. 2004. Т. 174. № 8. С. 809-852.Zelenyj L.M., Milovanov A.B. // Physics-Uspekhi. 2004. V. 174. № 8. P. 809–852.Кузеев И.Р., Самигуллин Г.Х., Куликов Д.В., Закирничная М.М. Сложные системы в природе и технике. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997. 225 с.Kuzeev I.R., Samigullin G.Kh., Kulikov D.V., Zakirnichnaya M.M. Slozhnye sistemy v prirode i tekhnike (Complex systems in nature and technology). Ufa: Izd-vo UGNTU, 1997. 225 p.Козлов Г.В., Буря А.И., Алоев В.З., Яновский Ю.Г. // Физическая мезомеханика. 2005. Т. 8. № 2. С. 35-38.Kozlov G.V., Burya A.I., Aloev V.Z., Yanovskij Yu.G. // Fizicheskaya mezomekhanika (Physical mesomechanics). 2005. V. 8. № 2. P. 35–38.Якубов Т.С. // ДАН ССС Р. 1988. Т. 303. № 2. С. 425-428.Yakubov T.S. // Doklady Akademii Nauk SSSR. 1988. V. 303. № 2. P. 425–428.Huang J.C. // Adv. Polym. Technol. 2002. V. 21. P. 299-306.Huang J.C. // Adv. Polym. Technol. 2002. V. 21. P. 299–306.Janzen J. // J. Appl. Phys. 1975. V. 46. P. 966-974.Janzen J. // J. Appl. Phys. 1975. V. 46. P. 966–974.Traina M., Pegoretti A., Penati A. // Book of abstracts. 1st Int. Symposium оn Nanostructured and Functional Polymer-Based Materials and Composites. Dresden, Germany, 24-27 April 2005. Dresden, 2005. P. 25-28.Traina M., Pegoretti A., Penati A. // Book of abstracts. 1st Int. Symposium Nanostructured and Functional Polymer-Based Materials and Composites. Dresden. Germany. 24-27 Aprile 2005. Dresden. P. 25–28.Traina M., Pegoretti A., Penati A. // Book of abstracts. 27th National Convention of the Italian Association of the Science and Technology of Macromolecules. Naples, Italy, 2005. P. 101-108.Traina M., Pegoretti A., Penati A.// Book of abstracts. 27th National Convention of the Italian Association of the Science and Technology of Macromolecules. Naples. Italy. 2005. P. 101–108.Комова Н.Н. // Сб. трудов Всерос. науч. конф. «Математика, информатика, естествознание в экономике и обществе» (МИЕСЭ КО-2015). Москва, 30 января 2015 г. М.: МФЮА, 2015. Т. 1. С. 110-115.Komova N.N. // Sbornik trudov Vserossijskoj nauchnoj konferencii «Matematika, informatika, estestvoznanie v ehkonomike i obshchestve» [Proceedings of all-Russian scientific conference "Mathematics, Informatics, natural Sciences in the economy and society"] (MIESEKO–2015). Moscow. January 30, 2015. M.: MFUA, 2015. T. 1. S. 110–115.Комова Н.Н., Заиков Г.Е. // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 11. С. 8-14.Komova N.N., Zaikov G.E. // Vestnik Kazanskogo Tekhnologicheskogo Universiteta. 2015. V. 18. № 11. P. 8–14.Heaney M. B. // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P. 2602-2604.Heaney M. B. // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P. 2602–2604.Tawalbeh T.M., Saq’an S., Yasin S.F., Zihlif A.M., Ragosta G. // J. Mater. Sci.: Materials in Electronics. 2005. V. 16. P. 351-354.Tawalbeh T.M., Saq’an S., Yasin S.F., Zihlif A.M., Ragosta G. // J. Mater. Sci.: Materials In Electronics. 2005. V. 16. P. 351–354.Mott N.F., Davis E.A. Electronic Process in Non-Crystalline Materials. Oxford: Glarendon Press, 1971. 438 p.Mott N.F., Davis E.A. Electronic Process in Non-Crystalline Materials. Oxford: Glarendon Press, 1971. 438 p.Di W., Zhang G. // J. Mater. Sci. 2004. V. 39. Р. 695-697.Di W., Zhang G. // J. Mater. Sci. 2004. V. 39. Р. 695–697.Tang H., Chen X., Tang A., Luo Y. // J. Appl. Polym. Sci. 1996. V. 59. P. 383-387.Tang H., Chen X., Tang A., Luo Y. // J. Appl. Polym. Sci. 1996. V. 59. P. 383–387.Dafu W., Tiejun Z., Yi X.-S. // J. Appl. Polym. Sci. 2000. V. 77. P. 53-58.Dafu W., Tiejun Z., Yi X.-S. // J. Appl. Polym. Sci. 2000. V. 77. P. 53–58.Azulay D., Eylon M., Eshkenazi O., Toker D., Balberg M., Shimoni N., Millo O., Balberg I. // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 90. P. 1-4.Azulay D., Eylon M., Eshkenazi O., Toker D., Balberg M., Shimoni N., Millo O., Balberg I. // Phys. Rev.Lett. 2003. V. 90. P. 1–4.Huang J.C. // Adv. Polym. Technol. 2002. V. 21. P. 299-304.Huang J.C. // Adv. Polym. Technol. 2002. V. 21. P. 299–304.Foulger S.H. // J. Appl. Polym. Sci. 1999. V. 72. P. 1573-1579.Foulger S.H. // J. Appl. Polym. Sci. 1999. V. 72. P. 1573–1579.Hindermann-Bischoff M., Ehrburger-Dolle F. // Carbon. 2001. № 39. P. 375-382.Hindermann-Bischoff M., Ehrburger-Dolle F. // Carbon. 2001. № 39. P. 375–382.Hou Y.H., Zhang M. Q., Rong M.Z., Yu G., Zeng H.M. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 84. P. 2768-2772.Hou Y.H., Zhang M. Q., Rong M.Z., Yu G., Zeng H.M. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 84. P. 2768–2772.Huang S.J., Lee J.K., Ha C.S. // Colloid. Polym. Sci. 2004. V. 282. P. 575-586.Huang S.J., Lee J.K., Ha C.S. // Colloid. Polym. Sci. 2004. V. 282. P. 575–586.Park J.S., Kang P.H., Nho Y.C., Suh D.H. // J. Appl. Polym. Sci. 2003. V. 89. P. 2316-2322.Park J.S., Kang P.H., Nho Y.C., Suh D.H. // J. Appl. Polym. Sci. 2003. V. 89. P. 2316–2322.Tang H., Chen X., Luo Y. // Eur. Polym. J. 1996. V. 32. P. 963-971.Tang H., Chen X., Luo Y. // Eur. Polym. J. 1996. V. 32. P. 963–971.Tang H., Chen X., Luo Y. // Eur. Polym. J. 1997. V. 33. P. 1383-1395.Tang H., Chen X., Luo Y. // Eur. Polym. J. 1997. V. 33. P. 1383–1395.Zhang C., Wang P., Ma C.A., Wu G., Sumita M. // Polymer. 2006. V. 47. P. 466-478.Zhang C., Wang P., Ma C.A., Wu G., Sumita M. // Polymer. 2006. V. 47. P. 466–478.Zhang J.F., Zheng Q., Yang Y.Q., Yi X.S. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 83. P. 3112-3120.Zhang J.F., Zheng Q., Yang Y.Q., Yi X.S. // J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 83. P. 3112–3120.Dai K., Zhang Y.-C., Tang J.-H., Ji X., Li Z.-M. // J. Appl. Polym. Sci. 2012. V. 125. P. 561-570.Dai K., Zhang Y.-C., Tang J.-H., Ji X., Li Z.-M.// J. Appl. Polym. Sci. 2012. V. 125. P. 561–570.Kirkpatrick S. // Rev. Mod. Phys. 1973. V. 45. P. 574-578.Kirkpatrick S. // Rev. Mod. Phys. 1973. V. 45. P. 574–578.Маламатов А.Х., Козлов Г.В., Микитаев М.А. Механизмы упрочнения полимерных нанокомпозитов. М.: Изд-во РХТУ им. Менделеева, 2006. 240 с.Malamatov A.Kh., Kozlov G.V., Mikitaev M.A. Mekhanizmy uprochneniya polimernykh nanokompozitov (Mechanisms of hardening of polymeric nanocomposites). M.: Izd-vo MUCTR, 2006. 240 p.Pfeifer P., Avnir D.J. // Chem. Phys. 1983. V. 79. P. 3558-3560.Pfeifer P., Avnir D.J. // Chem. Phys. 1983. V. 79. P. 3558–3560.Бобрышев А.Н., Козомазов В.Н., Бабин Л.О., Соломатов В.И. Синергетика композиционных материалов. Липецк: НПО ОРИУС, 1994. 154 с.Bobryshev A.N., Kozomazov V.N., Babin L.O., Solomatov V.I. Sinergetika kompozicionnykh materialov (Synergy composites). Lipeck: NPO ORIUS, 1994. 154 p.Hentschel H.G.E., Deutch J.M. // Phys. Rev. 1984. V. 29 A. № 12. Р. 1609-1611. . Бартенев Г.М., Бартенева А.Г. Релаксационные свойства полимеров. М.: Химия, 1992. 384 с.Hentschel H.G.E., Deutch J.M. // Phys. Rev.1984. V. 29 A. № 12. Р. 1609–1611.Kozlov G.V., Zaikov G.E. Structure of the Polymer Amorphous State. Utrecht - Boston: Brill Academic Publishers, 2004. 465 р.Kozlov G.V., Zaikov G.E. Structure of the Polymer Amorphous State. Utrecht – Boston: Brill Academic Publishers, 2004. 465 р.Энциклопедия полимеров: в 3-х т. М.: Советская энциклопедия, 1977. Т. 3. 1150 c.Ehnciklopediya polimerov: in 3-d Vol. M.: Sovetskaya ehnciklopediya, 1977. V. 3.1150 p.Козлов Г.В. // Успехи физ. наук. 2015. Т. 185. № 1. С. 35-64.Kozlov G.V. // Physics-Uspekhi. 2015. V. 185. № 1. P. 35–64.Van Damme H., Levitz P., Bergaya F., Alсover J.F., Gatineau L., Fripiat J.J. // J. Chem. Phys. 1986. V. 85. № 1. P. 616-625.Van Damme H., Levitz P., Bergaya F., Alсover J.F., Gatineau L., Fripiat J.J. // J. Chem. Phys. 1986. V. 85. № 1. P. 616–625.Mamonya Ye.P. // J. Micromole. Sci. Phys. 1999. V. 38. P. 615-622.Mamonya Ye.P. // J. Micromole. Sci. Phys. 1999. V. 38. P. 615–622.Kozlov G.V., Lipatov Yu.S. // Composite Interfaces. 2002. V. 9. № 6. P. 509-527.Kozlov G.V., Lipatov Yu.S. // Composite Interfaces. 2002. V. 9. № 6. P. 509–527.Новиков В.У., Козлов Г.В. // Механика композитных материалов. 1999. № 35. С. 269-290.Novikov V.U., Kozlov G.V. // Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsi. 1999. № 35. P. 269–290.Блайт Э.Р, Блур Д. Электрические свойства полимеров. М.: Физматлит, 2008. 373 с. (Blythe A.R., Bloor D. Electrical Properties of Polymers. Cambridge University Press, 2005. 487 p.)Blajt Eh.R, Blur D. Ehlektricheskie svojstva polimerov (Electrical properties of polymers). M.: Fizmatlit, 2008. 373 p. (Blythe A.R., Bloor D. Electrical Properties of Polymers. Cambridge University Press, 2005. 487 p.)Mai Y.W., Yu Z.Z. Polymer nanocomposites. Cambridge: Wood head Publishing Ltd., 2006. 594 p.Mai Y.W., Yu Z.Z. Polymer nanocomposites. Cambridge: Wood head Publishing Ltd., 2006. 594 p.Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. М.: Наука, 1975. 592 с.Frenkel' Ya.I. Kineticheskaya teoriya zhidkostej (Kinetic theory of liquids). M.: Nauka, 1975. 592 p.С луцкер А.И., Михайлин А.И., Слуцкер И.А. // Успехи физ. наук. 1994. Т. 164. № 4. С. 357-366.Slucker A.I., Mikhajlin A.I., Slucker I.A. // Physics-Uspekhi. 1994. V. 164. № 4. P. 357–366.Бартенев Г.М., Бартенева А.Г. Релаксационные свойства полимеров. М.: Химия, 1992. 384 с.Bartenev G.M., Barteneva A.G. Relaksacionnye svojstva polimerov (Relaxation properties of polymers). M.: Khimiya, 1992. 384 p.

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