پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

اثر پدیده تورم بر تغییر رفتار الکتریکی کامپوزیت لاستیک نیتریل/گرافیت و شکست ساختار شبکه گرافیت

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

محمد خبیری
میلاد سعادت تقرودی
محمدرضا پورحسینی
محمود رضوی‌زاده
مشهود عباسی

صنعتی مالک اشتر

چکیده
حساسیت رسانایی الکتریکی کامپوزیت‌های لاستیکی حاوی پرکننده‌های رسانا به کرنش‌های تورمی، پدیده‌ای است که می‌تواند موجب توسعه حسگرهای تشخیص نوع و یا نشتی مایعات هیدروکربنی شود. تغییر ساختار شبکه پرکننده در کامپوزیت رسانای متورم شده، کاهش فراوانی تونل زنی ذرات رسانا و اتصال آنها به یکدیگر را درپی دارد. این رفتار می‌تواند علامتی برای سیستم آشکارساز حلال یا سوخت هیدروکربنی در حس‌گرهای انعطاف‌پذیر باشد. در این تحقیق نمونه‌های کامپوزیت نیتریل/گرافیت با غلظت‌های 20، 30، 40، 50، 60، 70 و phr80 از ذرات گرافیت تهیه و مشخصات الکتریکی آنها اندازه‌گیری شد. تغییر مقاومت الکتریکی نمونه‌های لاستیک نیتریل/گرافیت در ازای افزایش محتوی ذرات گرافیت، مواجهه با تولوئن و تکرار دوره‌ای فرایند تورم/ بازیابی برای هر نمونه بررسی گردید. حساسیت کامپوزیت‌های حاوی غلظت‌های بالاتر از آستانه همپوشانی phr 5/53 از ذرات گرافیت به تغییرات رسانایی ناشی از پدیده تورم برای کاربری حسگری مناسب است. همچنین تغییرات افزایشی مقاومت الکتریکی نمونه‌های غوطه‌ور در حلال تولوئن اندازه گیری و مشاهده شد که همه نمونه‌ها در نهایت به عایق الکتریکی تبدیل شدند. به منظور مطالعه تکرارپذیری عملکرد سنسور، نمونه‌های با غلظت 60، 70 و phr 80 برای سه دوره متورم و بازیابی شدند، که رسانایی نمونه قبل از تورم دوم و سوم نسبت به رسانایی قبل از تورم اول کمتر است. این اختلاف در نمونه حاوی phr 80 ذرات گرافیت بسیار ناچیز است. روند تغییر مقاومت الکتریکی در تورم دوم نسبت به تورم اول تفاوت قابل ملاحظه‌ای دارد. ولی این تفاوت بین دومین و سومین تکرار تورم کمتر است. این پدیده برای هر سه نمونه اتفاق افتاده است که می‌تواند به فرایند مولینز تشبیه شود.

کلیدواژه‌ها

کامپوزیت لاستیک نیتریل/گرافیت
تورم
ساختار شبکه پرکننده
مقاومت الکتریکی
حسگر انعطاف پذیر

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of swelling on the electrical behavior of nitrile/graphite rubber composite and break down of graphite network

نویسندگان English

mohammad khabiri
Milad Saadat Tagharoodi
Mohammad Reza Pourhossainy
Mahmoud Razavizadeh
Mashhood Abbasi
Polymer Group Manager
چکیده English

Research subject: The sensitivity of electrical conductivity of rubber/conductive filler composites against swelling strains is a phenomenon that can lead to the creation of sensors to detect the type or leakage of hydrocarbon liquids. In the swollen conductive composites, the variation of filler network structure reduces the Statistical frequency of the tunneling and interconnection of conductive particles. This behavior can be a sign for a solvent or hydrocarbon fuel detector system in a flexible sensors.

Research approach: In this study, nitrile rubber/graphite composite samples with several concentrations (20, 30, 40, 50, 60, 70 and 80phr) of graphite particles were prepared and their electrical characteristics were measured. The changes in the electrical resistance of nitrile rubber /graphite samples were investigated based on increasing the content of graphite particles, immerse to toluene, and repeating the period of the swelling/recovery process for each sample.

Main results: The sensitivity of composites with higher concentrations than the percolation threshold (53.5phr of graphite particles) to the conductivity changes due to the swelling phenomenon is appropriate for use in the sensor. Also, incremental changes in the electrical resistance of the samples immersed in the toluene solvent were measured and it was observed that all the samples were eventually converted to electrical insulation. In order to study the repeatability performance of sensor, samples with 60, 70 and 80phr of filler were swelled and recovered for three periods, which is less than the conductivity of the sample before the second and third swelling process compared to the conductivity before the first one. This difference is very small in the sample containing 80phr of graphite particles. The trend of change in electrical resistance is significantly different in the second swelling process compared to the primary swelling. But there is little difference between the third swelling process and the second one. This phenomenon has occurred for all three samples, which can be observed to be similar to Mullins effect.

کلیدواژه‌ها English

Nitrile rubber/graphite composite
swelling
Filler network structure
Electrical Resistance
Flexible sensor
1. Bhattacharyya, S.; Sinturel, C.; Bahloul, O.; Saboungi, M.-L.; Thomas, S.; Salvetat, J.-P., Improving Reinforcement of Natural Rubber by Networking of Activated Carbon Nanotubes. Carbon, 46, (7), 1037-1045, 2008.
2. Leblanc, J. L., Rubber–Filler Interactions and Rheological Properties in Filled Compounds. Progress in polymer science, 27, (4), 627-687, 2002.
3. Kapgate, B. P.; Das, C.; Basu, D.; Das, A.; Heinrich, G.; Reuter, U., Effect of Silane Integrated Sol–Gel Derived in Situ Silica on the Properties of Nitrile Rubber. Journal of Applied Polymer Science, 131, (15), 2014.
4. Kapgate, B. P.; Das, C., Filler–Filler and Rubber–Filler Interactions in Nitrile Rubber/Silica Composites. Emerging Materials Research, 3, (1), 46, 2014.
5. Suzuki, N.; Ito, M.; Yatsuyanagi, F., Effects of Rubber/Filler Interactions on Deformation Behavior of Silica Filled Sbr Systems. Polymer, 46, (1), 193-201, 2005.
6. Fröhlich, J.; Niedermeier, W.; Luginsland, H. D., The Effect of Filler–Filler and Filler–Elastomer Interaction on Rubber Reinforcement. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 36, (4), 449-460, 2005.
7. Lin, Y.; Dong, X.; Liu, S.; Chen, S.; Wei, Y.; Liu, L., Graphene–Elastomer Composites with Segregated Nanostructured Network for Liquid and Strain Sensing Application. ACS applied materials & interfaces, 8, (36), 24143-24151, 2016.
8. Ma, J.-H.; Zhang, L.-Q.; Wu, Y.-P., Characterization of Filler-Rubber Interaction, Filler Network Structure, and Their Effects on Viscoelasticity for Styrene-Butadiene Rubber Filled with Different Fillers. Journal of Macromolecular Science, Part B, 52, (8), 1128-1141, 2013.
9. Khabiri, M.; Jafari, S. H.; Pourhossaini, M. R.; Khonakdar, H. A., Investigations on Matrix Network Characteristics in Nbr/Silica Nanocomposites: Resolving Matrix Bulk Density and Network Molecular Weight and Their Alterations Due to Filler‐Curing Agent Interactions. Journal of Applied Polymer Science, 135, (16), 46170, 2018.
10. Maciejewska, M.; Zaborski, M., Effect of Ionic Liquids on the Dispersion of Zinc Oxide and Silica Nanoparticles, Vulcanisation Behaviour and Properties of Nbr Composites. Express Polymer Letters, 8, (12), 2014.
11. Wang, Q.; Zeng, J.; Zhou, X.; Yan, J., Irradiation Vulcanized Styrene-Butadiene Rubber/Nanoscale Silica Composites. Journal of Polymer Research, 23, (1), 11, 2015.
12. Moaddab, A.; Kalaee, M.; Mazinani, S.; Aghajani, A.; Rajab, M. M., Cure Kinetics and Final Performance of Styrene Butadiene Styrene Block Copolymer/Silica Nanocomposites. Rubber Chemistry and Technology, 88, (1), 53-64, 2015.
13. Pazhooh, H. N.; Bagheri, R.; Adloo, A., Fabrication of Semi-Conductive Natural Rubber Nanocomposites with Low Copper Nanoparticle Contents. Polymer, 108, 135-145, 2017.
14. Ismail, H.; Ahmad, H., The Properties of Acrylonitrile-Butadiene Rubber (Nbr) Composite with Halloysite Nanotubes (Hnts) and Silica or Carbon Black. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 52, (12), 1175-1182, 2013.
15. Ramesan, M., The Effects of Filler Content on Cure and Mechanical Properties of Dichlorocarbene Modified Styrene Butadiene Rubber/Carbon Black Composites. Journal of Polymer Research, 11, (4), 333-340, 2005.
16. Westlinning, H.; Butenuth, G., Swelling and Network (Crosslink) Density of Carbon Black-Filled Natural Rubber Vulcanizates. Rubber Chemistry and Technology, 35, (2), 274-283, 1962.
17. Yamada, T.; Hayamizu, Y.; Yamamoto, Y.; Yomogida, Y.; Izadi-Najafabadi, A.; Futaba, D. N.; Hata, K., A Stretchable Carbon Nanotube Strain Sensor for Human-Motion Detection. Nature nanotechnology, 6, (5), 296, 2011.
18. Natarajan, T. S.; Eshwaran, S. B.; Stöckelhuber, K. W.; Wießner, S.; Pötschke, P.; Heinrich, G.; Das, A., Strong Strain Sensing Performance of Natural Rubber Nanocomposites. ACS applied materials & interfaces, 9, (5), 4860-4872, 2017.
19. Liu, H.; Li, Q.; Zhang, S.; Yin, R.; Liu, X.; He, Y.; Dai, K.; Shan, C.; Guo, J.; Liu, C., Electrically Conductive Polymer Composites for Smart Flexible Strain Sensors: A Critical Review. Journal of Materials Chemistry C, 6, (45), 12121-12141, 2018.
20. Cochrane, C.; Lewandowski, M.; Koncar, V., A Flexible Strain Sensor Based on a Conductive Polymer Composite for in Situ Measurement of Parachute Canopy Deformation. Sensors, 10, (9), 8291-8303, 2010.
21. Shin, M. K.; Oh, J.; Lima, M.; Kozlov, M. E.; Kim, S. J.; Baughman, R. H., Elastomeric Conductive Composites Based on Carbon Nanotube Forests. Advanced materials, 22, (24), 2663-2667, 2010.
22. Li, X.; Zhang, R.; Yu, W.; Wang, K.; Wei, J.; Wu, D.; Cao, A.; Li, Z.; Cheng, Y.; Zheng, Q., Stretchable and Highly Sensitive Graphene-on-Polymer Strain Sensors. Scientific reports, 2, 870, 2012.
23. Boland, C. S.; Khan, U.; Backes, C.; O’Neill, A.; McCauley, J.; Duane, S.; Shanker, R.; Liu, Y.; Jurewicz, I.; Dalton, A. B., Sensitive, High-Strain, High-Rate Bodily Motion Sensors Based on Graphene–Rubber Composites. ACS nano, 8, (9), 8819-8830, 2014.
24. Giffney, T.; Bejanin, E.; Kurian, A. S.; Travas-Sejdic, J.; Aw, K., Highly Stretchable Printed Strain Sensors Using Multi-Walled Carbon Nanotube/Silicone Rubber Composites. Sensors and Actuators A: Physical, 259, 44-49, 2017.
25. Hu, N.; Karube, Y.; Yan, C.; Masuda, Z.; Fukunaga, H., Tunneling Effect in a Polymer/Carbon Nanotube Nanocomposite Strain Sensor. Acta Materialia, 56, (13), 2929-2936, 2008.
26. Kanoun, O.; Müller, C.; Benchirouf, A.; Sanli, A.; Dinh, T.; Al-Hamry, A.; Bu, L.; Gerlach, C.; Bouhamed, A., Flexible Carbon Nanotube Films for High Performance Strain Sensors. Sensors, 14, (6), 10042-10071, 2014.
27. Hu, N.; Karube, Y.; Arai, M.; Watanabe, T.; Yan, C.; Li, Y.; Liu, Y.; Fukunaga, H., Investigation on Sensitivity of a Polymer/Carbon Nanotube Composite Strain Sensor. Carbon, 48, (3), 680-687, 2010.
28. Knite, M.; Teteris, V.; Kiploka, A.; Kaupuzs, J., Polyisoprene-Carbon Black Nanocomposites as Tensile Strain and Pressure Sensor Materials. Sensors and Actuators A: Physical, 110, (1-3), 142-149, 2004.
29. Amjadi, M.; Pichitpajongkit, A.; Lee, S.; Ryu, S.; Park, I., Highly Stretchable and Sensitive Strain Sensor Based on Silver Nanowire–Elastomer Nanocomposite. ACS nano, 8, (5), 5154-5163, 2014.
30. Khabiri, M.; Jafari, S. H.; Pourhossaini, M. R.; Khonakdar, H. A., Influence of Swelling Phenomenon on Filler Structure in Nitrile-Silica Nanocomposite as Resistant Rubber Compound to Solvent. Journal of Applied Research of Chemical -Polymer Engineering, 1, (2), 51-66, 2018.
31. J. Diani, B. Fayolle, P. Gilormini, A review on the Mullins effect, European Polymer Journal, Vol. 45, No. 3, pp. 601-612, 2009.

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما