Elektrisch-velduitgelijnde nanocarbon vulstoffen in epoxycomposieten: impact op elektrische geleidbaarheid

Samenvatting

We rapporteren over de uitlijning van koolstofnanodeeltjes – grafietnanoplatelets (GNPs) en multiwand koolstofnanobuizen (MWCNTs) – in een laag-viscose epoxymatrix met behulp van een wisselstroom (AC) elektrisch veld. Optische microscopie, elektrische metingen en analytische modellering werden gecombineerd om te beoordelen hoe veldsterkte, geometrie, vulstofmorfologie en aspectratio de uitlijningkinetiek en percolatiegedrag beïnvloeden. Uitlijning van GNPs werd bereikt in seconden bij veldsterktes van slechts 36 kV/m, terwijl MWCNTs enkele minuten vereisten. De uitgelijnde GNP-composieten vertoonden een dynamische percolatiedrempel van 0,84 wt%, bijna een kwart van de 2,0 wt% drempel voor willekeurig verdeelde vulstoffen. Onze bevindingen tonen aan dat elektrisch-veldagelichte uitlijning de percolatiedrempel aanzienlijk kan verlagen en de geleidbaarheid in nanocarbon-gevulde polymeren kan verbeteren.

Achtergrond

Conductieve koolstofcomposieten zijn onmisbaar in microelektronica, elektromagnetische afscherming, luchtvaartstructuren en meer. Ze combineren corrosiebestendigheid, hoge sterkte, lage dichtheid en instelbare geleidbaarheid door vulstoftype, lading en dispersie te variëren. Niesferische vulstoffen zoals CNTs en GNPs zijn bijzonder effectief omdat hun hoge aspectratio's de pakkingsfactor verminderen en percolatie versnellen, zoals voorspeld door statistische percolatiemodellen.

Echter, willekeurige dispersie laat vaak veel hoge-aspectratio vulstoffen vastzitten in "doodlopende" takken van het conductieve netwerk, wat de prestaties op lage lading beperkt. Het uitlijnen van vulstoffen onder externe stimuli – elektrisch, magnetisch of mechanisch – kan continue paden vormen en de percolatiedrempel verlagen. Mechanische uitlijning kan kwetsbare nanocarbonstructuren beschadigen; magnetische uitlijning vereist toegevoegde magnetische componenten. Elektrisch-velduitlijning is daarom aantrekkelijk: het is contactloos, werkt op de intrinsieke polariseerbaarheid van de vulstoffen en vereist geen additieven.

De meeste studies over elektrisch-velduitlijning hebben zich gericht op CNTs; de invloed van vulstofmorfologie op uitlijningkinetiek en geleidbaarheid blijft slecht begrepen. Dit werk onderzoekt hoe GNPs en MWCNTs zich gedragen onder AC elektrisch velden, kwantificeert uitlijningstijden via een effectief-mediummodel en correleert deze bevindingen met gemeten geleidbaarheid.

Methoden

Materialen

Epoxyhars Larit 285 (Lange Ritter GmbH) werd gebruikt in zijn twee-componenten vorm (vloeibare epoxy + hardener H 285). De hars (600–900 mPa·s) en hardener (50–100 mPa·s) viscositeit bij 25 °C liet uniforme elektrisch-veldbhandeling toe. Vulstoffen waren: multiwand CNTs (Cheap Tubes Ins, USA) en grafietnanoplatelets (GNPs) geproduceerd door ultrasoon dispersie van thermisch geëxfolieerd grafiet in aceton voor 3 uur. Tabel 1 geeft vulstofafmetingen (verkregen door AFM, SEM, optische microscopie) en dichtheden (ρ (CNT) = 1,8 g/cm³; ρ (GNP) = 2,23 g/cm³).

Composietfabricage

Vulstofladingen varieerden van 0,05 tot 5 wt%. Voor elke lading werd één set mechanisch gemengd en gesonicereerd (Vaku-9050, 40 kHz, 50 W, 30 min) voordat hardener werd toegevoegd in een massa-verhouding 100/40 tot epoxy. Een tweede set werd blootgesteld aan een AC elektrisch veld (15 kHz, 2000 V piek-piek) terwijl het mengsel in een vorm werd gegoten die tussen condensatorplaten was geplaatst. De veldgrootte werd gemonitord met een V7-16A voltmeter. Het veld werd toegepast voor de tijd nodig om epoxy verneting te bereiken (~10 min). Monsters werden vervolgens gecureerd door stapsgewijs verwarmen van 40 tot 80 °C (10 °C/uur).

Optische microscopie

Real-time imaging van 0,05 wt% composieten werd uitgevoerd met een stereoscopische microscoop (MBS-1) en digitale camera (Etrek DCM-510). Het vloeibare epoxy en gedispergeerde vulstoffen werden waargenomen onder zowel AC (15 kHz) als DC velden terwijl de veldsterkte varieerde.

Elektrische geleidbaarheidsmeting

Twee-punt DC metingen werden uitgevoerd bij kamertemperatuur. Monsters (5 × 4 × 4 mm³) werden getest; weerstanden >10¹⁰ Ω werden gemeten met een tera-ohm meter (E6-13). Geleidbaarheid σ werd berekend uit gemeten weerstand en monstergeometrie.

Modellering

Uitlijningdynamiek werd gemodelleerd door de rotatievergelijking op te lossen: I d²Θ/dt² + T_η + T_align = 0, waar I het traagheidsmoment is, T_η de viskeuze koppel en T_align de elektrisch-veldkoppel. De polariseerbaarheid α* en depolarisatiefactoren L_x (ellipsoïde) en L_R (sferoïde) werden berekend uit deeltjesgeometrie. Numerieke integratie werd uitgevoerd in Maple 13 met parameters: η = 0,75 Pa·s, ε_m = 2,8ε_0, σ_m = 10⁻⁶ S/m, f = 15 kHz, ε_p(CNT) = 62,2, ε_p(GNP) = 34,3, σ_p = 10⁵ S/m.

Resultaten en discussie

Optische waarnemingen

Onder AC veld werden composieten steeds transparanter naarmate vulstoffen migreerden langs veldlijnen, ketens vormend. In de condensatorconfiguratie (geen stroompad) groeiden GNP-ketens snel binnen seconden, terwijl MWCNT-ketens minuten vereisten. Uitlijning was meer uitgesproken bij lagere veldsterktes voor GNPs vanwege hun grotere aspectratio en hogere polariseerbaarheid. DC velden produceerden geen uitgelijnde netwerken, wat de noodzaak van AC stimulatie bevestigt. Figuren 1–4 illustreren de progressieve uitlijning voor GNPs en MWCNTs bij verschillende veldsterktes (36, 167, 83,3, 50 kV/m). De snelle ketenvorming in GNP-composieten correleert met de korte rotatietijd voorspeld door het model.

Modellering van uitlijningkinetiek

Berekende hellingshoeken versus tijd (Fig. 6) tonen aan dat uitlijningstijd omgekeerd evenredig schaalt met aspectratio. GNP_max en CNT_max lijnen in vergelijkbare tijden uit, terwijl GNP_min het langzaamst uitlijnt. Depolarisatiefactoren (Fig. 7) bevestigen dat L_x toeneemt met afnemende aspectratio, wat rotatie vertraagt. Wanneer het veld uitgelijnd is met de lange as van de GNP (L_R geval, Fig. 8), verlengen rotatietijden zich verder, wat het belang van veldoriëntatie benadrukt. Het model geeft aan dat MWCNTs, vanwege hun cilindrische geometrie en hogere viscositeit, langere uitlijningstijden ervaren dan GNPs, consistent met experimentele waarnemingen.

Elektrische eigenschappen van vaste composieten

Figuur 10 toont de geleidbaarheid versus vulstoflading voor uitgelijnde en willekeurige GNP-composieten. De percolatiedrempel daalt van 2,0 wt% (willekeurig) naar 0,84 wt% (uitgelijnd). Figuur 11 toont het distincte σ(c) gedrag voor MWCNTs (plateau-dan-stijging) versus GNPs (monotoon stijging), wat verschillende netwerktopologieën weerspiegelt: gekruiste frameworks voor CNTs en ketenstructuren voor GNPs. Deze resultaten bevestigen dat elektrisch-velduitlijning een dynamische percolatieovergang induceert, de kritieke lading verlaagt en de geleidbaarheid verbetert. De dynamische drempel kan worden afgesteld door veldparameters, vulstofmorfologie en matrixviscositeit.

Conclusies

1. Hoogspannings AC elektrisch veld lijnt GNPs in epoxy uit, continue ketens vormend observeerbaar door optische microscopie.
2. Uitlijning verlaagt de percolatiedrempel met ~60% vergeleken met willekeurige dispersie en introduceert een dynamische percolatieovergang.
3. De uitlijningstijd hangt af van vulstofaspectratio via de depolarisatiefactor; GNPs lijnen sneller uit dan MWCNTs onder identieke omstandigheden.
4. Uitgelijnde GNP-composieten bereiken percolatie bij 0,84 wt%, terwijl willekeurige composieten 2,0 wt% lading vereisen.

Afkortingen

AC

Wisselstroom

AFM

Atoomkrachtmicroscopie

CNTs

Koolstofnanobuizen

DC

Gelijkstroom

GNPs

Grafietnanoplatelets

MWCNTs

Multiwand koolstofnanobuizen

SEM

Scanning elektronenmicroscopie