Влияние релаксационных процессов при деформировании на электрическое сопротивление полипропиленовых композитов с техническим углеродом

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.

1. Zhang 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/s10853-007-1688-5

2. Carmona F., Canet R., Delhaes P. Piezoresistivity of heterogeneous solids. J. Appl. Phys. 1987;61(7):2550–2558. https://doi.org/10.1063/1.337932

3. Flandin 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:1004546806226

4. De 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.0000000022

5. 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.

6. 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.2012.12.051

7. Vigueras-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/10.1088/1742-6596/167/1/012039

8. Chen 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/BF02897510

9. Aneli 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/chcht05.02.187

10. Knite 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.2003.08.006

11. Starý 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/10.1063/1.3604483

12. Hatami 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.1943-5606.0000062

13. Марков 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.

14. 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/10.1177/0307174x1604300303

15. Rogers 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.2012.10.001

16. Wang 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.31693

17. Марков 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.

18. 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.

19. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Издательство «Лабиринт». 1994. 367 с.

20. 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/s10965-016-1088-0