بخشی از مقاله
چکیده :
پلیمرهای هادی خاصیت الکتریکی و نوری نیمه هادی ها و فلزات ، همراه با خواص مکانیکی و فرآیند پذیری پلیمرها را دارای می باشند. اگر از یک زنجیر پلیمری دارای پیوندهای کووالانسی یک الکترون برداشته شود یا به آن یک الکترون اضافه شود ، در آن صورت با ایجاد یک آرایش مناسب شبیه به فلزات می توان خاصیت رسانایی الکتریکی در آن ایجاد نمود. ویژگی های منحصر به فرد این پلیمرها مانند هدایت الکتریکی ، خواص الکتروشیمیایی ، استحکام مکانیکی و امکان سنتز شیمیایی و الکتروشیمیایی ، امکان استفاده از این پلیمرها در کاربردهایی نظیر باطری های قابل شارژ، سنسورهای شیمیایی و الکتروشیمایی، مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی ، دستگاه های الکتروکرومیک ، محافظت از خوردگی و غشای مبادله گر یون را فراهم نموده است.
امروزه از افزودن دوده هادی به مواد پلیمری به منظور افزایش هدایت الکتریکی پلیمرها استفاده می شود .در این میان قابل ذکر است که معمو لا"رابطه بین درصد دوده و میزان هدایت الکتریکی پلیمر غیر خطی می باشد .در درصدهای کم دوده ، هدایت الکتریکی پلیمر تغییر چندانی نمی کند، به عبارت دیگر وقتی میزان دوده مصرفی از یک مقدار حدی کمتر باشد، دوده تأثیر چندانی بر روی ازدیاد هدایت الکتریکی پلیمر ندارد.
پس از آن وقتی که درصد دوده به نقطه حدی موسوم به "آستانه تجمع " رسید، هدایت الکتریکی به اندازه قابل ملاحظه ای افز ایش می یابد . نتایج تحقیق حاضر نشانگر این نکته بودند که با افزایش ساختار دوده، اعمال برش ملایم، افزودن مواد یونی به دلیل خنثی سازی بارهای الکترواستاتیکی حاصل در فرایند اختلاط و همچنین افزایش دمای پخت که به دلیل کاهش ویسکوزیته و تشکیل آسانتر شبکه های هادی رخ می دهد سبب می شود که آستانه هدایت به درصدهای پایینتری منتقل شود . با افزایش دمای محیط آزمایش تا نزدیکی دمای شیشه ای شدن، هدایت الکتریکی کاهش یافته، حال آنکه در نزدیکی دمای شیشه ای شدن، هدایت الکتریکی افزایش می یابد.
مقدمه این نکته که مواد پلیمری، الکترونها یا حاملهای جریان الکتریسیته را از خود عبور نمی دهند، سبب به وجود آمدن مواد نارسانای ایده آل شده است .اما نارسایی پلیمرها همیشه به عنوان یک مزیت به شمار نمی رود .در برخی کاربردها در صورتیکه پلیمرها رسانای جریان برق باشند، انتخابی بی رقیب خواهند بود .به همین دلیل تلاشهای زیادی برای هادی سازی پلیمرها انجام گرفته است .پلیمرهای هادی ویژگیهای عمومی مواد پلیمری از نظر سبکی، انعطاف پذیری، سهولت فرآیند، مقاومت شیمیایی و قیمت ارزان را به دنیایی جدید در رقابت با دنیای فلزات وارد کرده اند .امروزه می توان ماده ای را در اختیار داشت که هم ویژگیهای پلیمرها را داشته باشد و هم جریان الکتریسیته را از خود عبور دهد و علاوه بر آن در مواردی به عنوان هادی و در مواردی دیگر به عنوان عایق رفتار کند.
برای هادی کردن پلیمرها سه روش وجود دارد : الف - در نظر گرفتن زنجیر اصلی نیمه هادی برای پلیمر و ایجاد زنجیر اصلی پلیمر با الکترونهای آزاد که بارها را شبیه به حالت فلزات انتقال دهند .ب - قرار دادن پوشش هادی الکتریسیته بر روی سطح پلیمر. ج - اضافه کردن ماده هادی الکتریسیته به آمیزه پلیمری [ 1]. در این میان هزینه پایین، وزن سبک، پایداری مکانیکی، آسانی فرآیندپذیری و هدایت الکتریکی و حرارتی خوب سبب شده است که بیشتر از روش آمیزه سازی پلیمرها با مواد پرکننده هادی استفاده شود .این گونه مواد برای بسیاری از کاربردهای فنی مورد استفاده قرار می گیرند.
[2]. از میان انواع مختلف پرکننده های مورد مصرف در پلیمرها، استفاده از دوده یکی از مرسوم ترین و مؤثرترین روشها می باشد .اضافه کردن دوده هادی به منظور ایجاد هدایت الکتریکی قابل قبول انجام می شود .معمولا" بین درصد دوده و میزان هدایت الکتریکی پلیمر رابطه خطی وجود ندارد، بلکه عملکرد هدایتی مخلوط پلیمری غیر خطی می باشد .در درصدهای کم دوده، هدایت الکتریکی پلیمر تغییر نمی کند، به عبارت دیگر وقتی میزان دوده مصرفی از یک مقدار حدی کمتر باشد، دوده تأثیری بر روی ازدیاد هدایت الکتریکی پلیمر ندارد.
بعد از آن وقتی که درصد دوده به نقطه حدی موسوم به "آستانه تجمع" رسید، هدایت الکتریکی به اندازه قابل ملاحظه ای افزایش می یابد، که در این نقطه اجزاء ماده پرکننده به نحوی با یکدیگر تماس پیدا میکنند که یک شبکه هادی پیوسته ایجاد می شود [2]. وقتی دوده به آمیزه اضافه می شود، تغییراتی رخ می دهد که به موجب آن خواص مخلوط حاصل با خواص پلیمر اولیه متفاوت می گردد .این تغییرات شامل تغییر در رنگ تا تغییر کامل در خواص فیزیکی و یا فرآیندپذیری می باشد که کامپوزیت پلیمری را از لحاظ الکتریکی هادی می سازد .بنابراین کامپوزیت حاصل دیگر بسیاری از خواص پلیمر اولیه را نخواهد داشت.
تحقیقات بسیاری در مورد پلاستیکها و پلیمرهای هادی انجام شده است .[3-5].اپستین هدایت الکتریکی پلیمرهایذاتًا هادی و پلیمرهایی که در آنها پیوند دوگانه به صورت یک در میان قرار دارد را بررسی کرده است. [6] .ویکی و همکاران فرایندپذیری پلی آنیلین هادی را مورد بررسی قرار داده است . [7]اخیرًا. همچنین کامپوزیتهای پلیمری هادی با" آستانه تجمع "پایین بسیار مورد توجه قرار گرفته اند . .[8-13] فنگ و چن خواص الکتریکی و مورفولوژی آلیاژ امتزاج ناپذیر پلی - وینیل فلورید - و پلی اتیلن با دانسیته بالا مخلوط شده با دوده را بررسی کرده اند.[14] نارکیس و همکاران نیز ارتباط بین مورفولوژی و هدایت الکتریکی آمیزه های پلیمری امتزاج ناپذیر را مطالعه کرده اند.
[11] نیکسون نیز خواص رئولوژیکی کامپوزیتهای هادی الکتریسیته را بررسی کرده است.[15] وبر و کمال نیز ضمن ارائه دو مدل ریاضی جدید، مقاومت حجمی کامپوزیتهای لیفی را تخمین زده ان.[16] لی و کیم نیز تأثیر عملیات حرارتی را بر روی هدایت الکتریکی فیلم پلی پیرول تهیه شده از روش محلولی مطالعه کرده است.[17] دانسکو و زابرانن تأثیر فرایند اختلاط را در تشکیل پلیمرهای هادی بررسی کرده است-19] .[18 حدادی اصل و محمدی نیز اثر روش و شرایط فرآیند را بر روی خواص کامپوزیتهای پلی الفین -دوده مورد بررسی قرار داده اند.[20] همچنین حدادی اصل مورفولوژی و خواص کامپوزیتهای هادی پلی الفین -دوده را مورد بررسی قرار داده است.[21] کلیه این تحقیقات بیانگر این نکته است که مقاومت الکتریکی ویژه کامپوزیتهای پلیمر -دوده شدیدا "به نوع و میزان دوده مصرفی، چگونگی پراکنده شدن دوده در ماتریس پلیمری و ساختار دوده مصرفی بستگی دارد.
تجربیات و آزمایشات مواد مورد استفاده
در این تحقیق از دو نوع رزین اپوکسی از نوع بیس فنل A ، هاردنر از نوع انیدریدی، شتاب دهنده دارای گروه ایمیدازول و چند نوع دوده هادی استفاده شد .دوده مورد استفاده با نامهای تجاری Ketjen، Vulcan XE72 Printex XE2B ،Black می باشد که سطح تماس آنها به ترتیب 950،1480 و 257 متر مربع بر گرم می باشد. اندازه ذرات دوده های مصرفی به ترتیب 18،5 و 30 نانومتر و میزان جذب روغن در این سه نوع دوده به ترتیب برابر 330،350 و 265 میلی لیتر بر 100 گرم می باشد.
تجهیزات مورد استفاده برای انجام کارهای آزمایشگاهی ، همزن آزمایشگاهی با دور متغیر حداکثر 5000 دور بر دقیقه، دستگاه اندازه گیری هدایت الکتریکی در محدوده یک پیکوآمپر تا صد میکروآمپر، آون مجهز به خلا و دستگاه اندازه گیری خواص کششی ساخت شرکت MONSANTO مورد استفاده قرار گرفت . تولید نمونه هایی با فرمولاسیون متغیر به منظور بررسی تأثیر میزان و نوع مواد افزودنی بر روی میزان مقاومت الکتریکی، نمونه هایی با فرمولاسیون ارائه شده در جدول 1 تهیه شد.
*وزن رزینی که حاوی یک اکی والان گرم از گروههای اپوکسیدی باشد. ابتدا مواد به به مدت 24 ساعت در داخل آون قرار داده شد. سپس در ترکیب درصدهای حجمی0/2، 0/5، 2/0، 0/1، 2/1، 2/2، 7/5، 3/0 عملیات اختلاط رزین اپوکسی و سه نوع دوده اشاره شده در همزنی با سرعت 3000 دور در دقیقه و به مدت یک ساعت انجام گردید. پس از یک ساعت و مطابق فرمولاسیون ارائه شده در جدول 1 شتاب دهنده و هاردنر به مخلوط اضافه گردیده و در سرعت قبلی عملیات اختلاط به مدت 15 دقیقه ادامه داده شد. عملیات پخت مواد در درون قالب در دمای 80 درجه سانتیگراد و به مدت سه ساعت انجام شد. عملیات پخت تکمیلی نیز در دمای 140 درجه سانتیگراد و در داخل آون مجهز به خلأ و به مدت 8 ساعت انجام شد.
بحث و بررسی نتایج شکل 1 تأثیر نوع دوده را بر روی میزان مقاومت الکتریکی در درصدهای حجمی مختلف نشان می دهد . رزین مورد استفاده در این آزمون E828 می باشد. با افزایش سطح تماس و ساختا ر دوده، مقاومت الکتریکی کامپوزیت کاهش می یابد . در اثر حرکت براونی ذرات دوده و به هم چسبیدن ذرات دوده و متعاقب آن تشکیل خوشه مسیری برای هدایت الکتریکی تشکیل می شود . با افزایش ساختار دوده تشکیل این خوشه ها آسانتر شده و در نتیجه آن آستانه هدایت - نقطه ای که د ر آن هدایت الکتریکی به میزان قابل ملاحظه ای افزایش می یابد - به درصدهای حجمی پایینتر منتقل می شود.
شکل 2 تأثیر نوع رزین و درصد حجمی دوده را بر روی میزان مقاومت الکتریکی کامپوزیت نشان می دهد . همانطور که از شکل مذکور مشاهده می شود با افزایش WPE آستانه هدایت به درصدهای حجمی بالاتر منتقل می شود که دلیل آن می تواند ناشی از افزایش قطبیت رزین باشد . با افزایش WPE قطبیت رزین افزایش یافته و متعاقب آن یک تنش اضافی در فصل مشترک رزین و دوده ایجاد می شود . به عبارت دیگر تنش سطحی بالای پلیمر یک انرژی اضافی در سطح مشترکایجا د می کند .
در تشکیل شبکه هادی که ناشی از به هم پیوستن ذرات دوده و تشکیل خوشه می باشد، دو نیروی واندوالسی و الکتروستاتیکی در رقابت با هم می باشند که برای غلبه بر نیروی دافعه، می توان از دو روش استفاده نمود. یکی از اینها نیروی برش ملایم و دیگری افزودن یون می باشد .افزودن یون سبب خنثی شدن نیروهای مقاوم گردیده و تشکیل خوشه را تسهیل می نماید، ضمن اینکه باعث کاهش آستانه هدایت می گردد .شکل 6 میکروگرافهای تهیه شده با استفاده از تکنیک میکروسکوپی نوری برای این دو نوع نمونه را نشان می دهد. شکل 7 تأثیر دمای آزمون را بر روی میزان مقاومت الکتریکی کامپوزیت با رزین E828 که با دو درصد حجمی دوده گرید PRINTEX XE2B مخلوط گردیده است را نشان می دهد .با افزایش دما تا حدود 135 درجه سانتیگراد مقاومت حجمی نمونه افزایش یافته و پس از آن کاهش می یابد .
