The influence of the characteristics of polyethylene on thermoelectric properties of their composites with black carbon
https://doi.org/10.35164/0554-2901-2021-5-6-18-23
Abstract
The work is devoted to the study of the effect of characteristics (melt flow and density) of various grades of polyethylene on the electrical resistance of polyethylene composites with carbon black at normal and elevated temperatures. Such polyethylene composites are characterized by abnormally high values of the positive temperature coefficient of electrical resistance in the melting temperature range of the polyethylene matrix. This causes the effect of power self-regulation of such heaters (selfregulating polymer heaters). It has been established that the content of carbon black, which provides a stable and clear effect of self-regulation of such heaters, is located in a concentration region approaching the region of the second concentration-structural percolation transition, which for all investigated polyethylene composites was about 12 vol% of carbon black. The growth rate of electrical resistance at these carbon-black contents is influenced by crystallinity of the polyethylene matrix.
About the Authors
A. V. Markov
MIREA - Russian Technological University (Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)
Russian Federation
Russian Federation
V. A. Markov
MIREA - Russian Technological University (Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)
Russian Federation
Russian Federation
A. S. Chizhov
MIREA - Russian Technological University (Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Zhang W., Dehghani-Sanij A.A., Blackburn R.S. Carbon based conductive polymer composites // J. Mater. Sci. 2007. V. 42. P. 3408-3418.
2. Carmona F., Canet R., and Delhaes P. Piezoresistivity of heterogeneous solids // J. Appl. Phys. 1987. Vol. 61. P. 2550-2558.
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. Vol. 34. P. 1753-1759.
4. Vigueras-Santiago E., Hernández-López S., Camacho-López M.A., Lara-Sanjuan O. Electric anisotropy in high density polyethylene + carbon black composites induced by mechanical deformation // J. of Physics: Conference Series. 2009. Vol. 167(012039). P. 1-4.
5. Chen Y., Song Y., Zhou J., Zheng Q. Eff ect of uniaxial pressure on conduction behavior of carbon black fi lled poly(methyl vinyl siloxane) composites // Chinese Science Bulletin. 2005. Vol. 50 N. 2. P. 101-107.
6. Chodák I., Podhradská S., Jarcusková J., Jurciová J. Changes in electrical conductivity during mechanical deformation of carbon black fi lled elastomeric matrix // Open Macromol. J. 2010. Vol. 4. P. 32-36.
7. Krückel J., Starý Z., Schubert D.W. Oscillations of the electrical resistance induced by shear deformation in molten carbon black composites // Polymer. 2013. Vol. 54. P. 1106–1113.
8. 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. Vol. 41. N. 7. P. 301-309.
9. Aneli J. N., Zaikov G. E., Mukbaniani O. V. Electric conductivity of polymer composites at mechanical relaxation // Chemistry & Chemical Technology. 2011. Vol. 5. №2. P. 187-190.
10. Hatami K., Grady B.P., Ulmer M.C. Sensor-enabled geosynthetics: use of conducting carbon networks as geosynthetic sensors // Geotch. Geoenv. Eng. 2009. Vol. 135. P. 863-874.
11. Starý Z., Krückel J., Schubert D., Münstedt H. Behavior of conductive particle networks in polymer melts under deformation // AIP Conf. Proc. 2011. Vol. 1375. P. 232-239.
12. Azulay D., Eylon M., Eshkenazi O., Toker D., Balberg M., Shimoni N., Millo O., Balberg I. Electrical-thermal switching in carbon-black–polymer composites as a local eff ect // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 90. Issue 23 (236601). P. 1-4.
13. Марков В.А. Автореферат диссертации. Полимерные композиты с повышенным положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления для саморегулирующихся нагревательных элементов, канд. техн. наук. - М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2014. 24 с.
14. Марков В.А., Кандырин Л.Б., Марков А.В., Городницкий М.С. Влияние кристаллизации полимера на электрическое сопротивление композиций с техническим углеродом // Конструкции из композиционных материалов. 2013. № 3(131). С. 35-40.
15. Марков В.А., Марков А.В., Полдушов М.А., Абысов Е.Ю. Влияние способа приготовления электропроводящих композитов на основе ПЭ, ПП и технического углерода на их свойства при повышенных температурах // Пластические массы. 2015. №1-2. С. 13-17.
16. Markov V.A., Markov A.V., Poldushov M.A., Abysov E.Y. The infl uence 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. & Techn. 2016. V. 43. №3. P. T13–T18.
17. Марков А.В., Гущин В.А., Марков В.А. Термоэлектрические характеристики электропроводящих композитов на основе смесей кристаллизующихся и аморфных полимеров с техническим углеродом // Пластические массы. 2019. №1-2. С. 44-47.
18. Марков А.В., Чижов Д.С. Электропроводящие саморегулирующиеся материалы на основе полиэтиленовых композиций с СВМПЭ и техническим углеродом // Тонкие химические технологии. 2019. Т. 14. №2. С. 60-69.
19. Гуль В.Е., Шенфиль Л.З. Электропроводящие полимерные композиции. М.: Химия, 1984. 240 с.
20. Sommers D.J. Carbon black for electrically conductive plastics // Polym.-Plast. Technol. Eng. 1984. Vol. 23(1). P. 83-98.
21. Чмутин И.А., Летягин СВ., Шевченко В.Г., Пономаренко А.Т. Электропроводящие композиты: структура, контактные явления // Высокомол. соед. А. 1994. Т. 36. N. 4. С. 699-713.
22. Гуль В.Е., Шеметов В.Г., Иванов Э.А. Исследование механизма электропроводности дисперсных проводящих полимерных систем с наполнителем // Колл. ж. 1975. Т. 37. N. 4. С. 763-768.
23. Zhang W., Dehghani-Sanij A.A., Blackburn. R.S. Carbon based conductive polymer composites // J. Mater. Sci. 2007. Vol. 42. P. 3408-3418.
24. Sheng P., Sichel E.K., Gittleman J.I. Fluctuation-induced tunneling conduction in carbon-polyvinylchloride composites. Phys. Rev. Lett. 1978. Vol. 40. P. 1197-1200.
25. Sichel E.K., Gittleman J.I., Sheng P. Transport properties of the composite material carbon-poly(vinyl chloride) // Phys. Rev. B. 1978. Vol. 18(10). P. 5712-5716.
26. Гуль В.Е. Влияние структуры электропроводящих полимерных композиций на их свойства // Высокомол. соед. А. 1978. Т. 20, N.10. С. 2163-2174.
27. Гуль В.Е., Журавлев В.С. Получение, свойства и применение электропроводящих резин // Каучук и резина. 1967. N.12. C. 31-34.
28. Deng H., Lin L., Ji M., Zhang S., Yang M., Fu Q. Progress on the morphological control of conductive network in conductive polymer composites and the use as electroactive multifunctional materials // Progr. Polym. Sci. 2013.
29. Марков В.А., Кандырин Л.Б., Марков А.В. Влияние технологических добавок на электрические характеристики ПЭ композитов с техническим углеродом // Вестник МИТХТ, 2013. Т. 8. №6. С. 103-107.
30. Shin S.G. A Study on the percolation threshold of polyethylene matrix composites filled carbon powder // Electr. Mater. Lett. 2010. Vol. 6(2). P. 65-70.
31. Balberg I. A comprehensive picture of the electrical phenomena in carbon black–polymer composites // Carbon. 2002. Vol. 40. P. 139–143.
32. Корнев А.Е., Квардашов В.П., Корнюшко В.Ф., Жуков А.П. Исследование влияния способов введения структурных саж на формирование свойств антистатических резин // Производство шин, РТИ и АТИ. 1976. N. 11. С. 20.
33. Narkis M., Vaxman A. Resistivity behavior of filled electrically conductive crosslinked polyethylene // J. Appl. Polym. Sci. 1984. Vol. 29(5). P. 1639-1652.
34. Flandin L., Chang A., Nazarenko D., Hiltner A., Baer E. Effect of strain on the properties of an ethylene–octene elastomer with conductive carbon fi llers // J. Appl. Polym. Sci. 2000. Vol. 76(6). P. 894-905.
35. Ren D., Zheng S., Huang S., Liu Z., Yang M. Eff ect of the carbon black structure on the stability and efficiency of the conductive network in polyethylene composites // J. Appl. Polym. Sci. 2013. Vol. 129(6). P. 3382-3389.
36. Кудинова Г.Д., Буканов А.М., Корнев А.Е. Влияние комбинаций саж на электропроводность резин // Труды Московского института химической технологии. 1975. Т. 5. Вып. 1. С. 109-111.
37. Miyasaka K., Watanabe K., Jojima E., Aida H., Sumita M., Ishikawa K. Electrical conductivity of carbon-polymer composites as a function of carbon content // J. Mater. Sci. 1982. Vol. 17(6). P. 1610-1616.
38. Le H.H., Kolesov I., Ali Z., Uthardt M., Osazuwa O., Ilisch S., Radusch H.J. Effect of filler dispersion degree on the Joule heating stimulated recovery behaviour of nanocomposites // J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45(21). P. 5851-5859.
39. Seo M.K., Rhee K.Y., Park S.J. Influence of electro-beam irradiation on PTC/NTC behaviors of carbon blacks/HDPE conducting polymer composites // Current Appl. Phys. 2011. Vol. 11(3). P. 428–433.
40. 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. С. 21-24.
41. Орлов В.Ю., Комаров В.А., Липина Л.А. Производство и использование техническогоуглеродадлярезин. – Ярославль: Изд. А. Рутман. 2002. 512 с.
42. Ивановский В.И. Технический углерод. - Омск: ОАО «Техуглерод». 2004. 228 с.
43. Эстрин Р.И., Овсянников Н.Я. Объемы и размеры пор в первичных агрегатах технического углерода как факторы, влияющие на электрические характеристики вулканизатов// Вестник МИТХТ, 2008, Т. 3, №3. с. 40-46.
44. Ковалева Л.А., Овсянников Н.Я., Корнев А.Е., Карелина В.Н., Эстрин Р.И. Морфологические характеристики технических углеродов новой серии УМ // Каучук и резина. 2013. №3. С. 36-40.
45. Марков А.В Автореферат дис. Технология ориентированных многокомпонентных полимерных пленок, докт. техн. наук. - М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2005. 48 с.
46. Марков А.В., Симонов-Емельянов И.Д., Прокопов Н.И., Ганиев Э.Ш., Аншин В.С., Марков В.А. Исследование технологических свойств жестких ПВХ-композиций с различными наполнителями // Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2012. Т. 7. №4. С. 100-105.
Review
For citations:
Markov A.V., Markov V.A., Chizhov A.S. The influence of the characteristics of polyethylene on thermoelectric properties of their composites with black carbon. Plasticheskie massy. 2021;(5-6):18-23. (In Russ.) https://doi.org/10.35164/0554-2901-2021-5-6-18-23
Views:
498
Email this article 
