Как известно, добавление углеродных нанотрубок (УНТ) в полимерный материал существенно изменяет его электрические характеристики. Даже небольшой присадки УНТ (на уровне 0.1%) достаточно, чтобы проводимость материала возросла более чем на 10 порядков величины, переводя тем самым материал из разряда диэлектриков в разряд проводников.

Столь резкое изменение электрических свойств материала объясняется в рамках механизма перколяционной проводимости, согласно которому при превышении некоторой пороговой концентрации нанотрубки вступают в электрический контакт друг с другом, образуя в материале проводящие каналы.

Согласно теории, проводимость композита σ в окрестности порога протекания описывается выражением

σ = σ_о(V – V_c)t,  (1)

где V – объемное содержание присадки, V_c – критическая (пороговая) величина этого параметра, соответствующая возникновению перколяционной цепи, t – показатель экспоненты, величина которого обычно близка к 2. При этом пороговая величина концентрации УНТ Vc обратно пропорциональна их аспектному отношению (отношение длины к диаметру), что оправдывает применение длинных УНТ в целях создания проводящих композитных материалов на полимерной основе.

Основная трудность, стоящая на пути создания проводящих полимерных материалов с малой присадкой УНТ, связана с необходимостью обеспечения равномерного распределения нанотрубок по объему материала.

Эта трудность обусловлена известной тенденцией нанотрубок к образованию жгутов, в которых нанотрубки слипаются друг с другом благодаря взаимодействию Ван-дер-Ваальса.

Нанотрубки, объединенные в жгуты, не участвуют в образовании перколяционных цепей, что увеличивает величину порога протекания. Однако результаты экспериментов показывают, что

абсолютно равномерное распределение присадки по объему материала не является оптимальным с точки зрения минимизации порога протекания.

Рис. 1.

В работе [1] был исследован набор образцов композита размером 25´25´1 мм на основе полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) с присадкой многослойных УНТ, имеющих среднее аспектное отношение 1000. Наряду с нанотрубками, образцы, полученные методом горячего прессования, содержали также 0.1% антиоксиданта на основе фенола. С целью предотвращения окисления образцы прогревали в атмосфере азота при температуре 200оС. Электрические характеристики образцов измеряли четырехконтактным методом.

Измерения, результаты которых приведены на рисунке, указывают на существенную зависимость положения перколяционного порога, а также величины показателя экспоненты t, от длительности термообработки. При этом наблюдается обратно пропорциональная зависимость показателя экспоненты t от положения перколяционного порога V_c. Из полученных в работе результатов следует, что

для установления в нанокомпозите перколяционной проводящей цепи, параметры которой описываются соотношением (1), требуется значительное время, в течение которого происходит распределение частиц наполнителя по объему полимерного материала.

Этот вывод позволяет объяснить существенный разброс в величинах перколяционных параметров, полученных различными авторами.

Источники:

1. Anthony Combessis, Lorrène Bayon, and Lionel Flandin A.Combessis et al., Effect of filler auto-assembly on percolation transition in carbon nanotube/polymer composites. – Appl. Phys. Lett. 102, 011907 (2013); http://dx.doi.org/…63/1.4773994 (4 pages).