Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Углеродные наноструктуры, используемые в качестве наполнителей в полимерных композитах, позволяют развивать подходы к созданию новых материалов с различными свойствами, а, следовательно, и различными практическими приложениями при одновременном снижении количества. Сочетание полезных свойств сополимеров, состоящих из полярных звеньев N-винилпирролидона (ВП) [1], с электрофизическими свойствами оксида графита (ОГ) может расширить область их практического применения. Данная работа посвящена исследованию диэлектрических характеристик полимерных композитов оксида графита на основе биосовместимого сополимера N-винилпирролидона с диметакрилатом 1,6-гександиола разветвленного строения (ВП-ДМГД) и сетчатого сополимера N-винилпирролидона с диметакрилатом триэтиленгликоля (ВП-ДМТЭГ).
В работе использовали ОГ, полученный по методу [2]. Были изучены две группы образцов – порошки полимерных композитов (ПК) на основе сополимера ВП-ДМГД (1–5) и пленки ПК на основе сополимера ВП-ДМТЭГ (10–14) с ОГ в качестве наполнителя, а также соответствующие полимерные матрицы, не содержащие ОГ (0, 6, 8, 9). Содержание ОГ варьировали от 0 до 1 мас. %. Условия получения и состав ПК приведены в табл. 1.
Таблица 1
Условия получения полимерных композитов на основе разветвленного сополимера ВП-ДМГД и сетчатого сополимера ВП-ДМТЭГ
Полимерный композит | (Со) полимер | Концентрация сополимера в ИПС, мг/мл | Концентрация ОГ, мас. % | Условия получения ПК |
0 | ВП-ДМГД | - | 0,0 | - |
1 |
| 5 | 0,1-0,2
| ОГ диспергирован в растворе полимера |
2 |
| 5 | 0,1-0,2 | ОГ диспергирован в ИПС |
3 |
| 15 | 1,0 | То же |
4 |
| 30 | 0,5 | То же |
5 |
| 30 | 1,0 | То же |
6 |
| 5 | 0,0 | Выделен из раствора ИПС |
8 | ВП-ДМТЭГ | - | 0,0 | Без УЗ-обработки |
9 |
| - | 0,0 | УЗ-обработка, 3 мин |
10 |
| - | 1,0 | То же |
11 |
| - | 0,5 | То же |
12 |
| - | 0,2 | То же |
13 |
| - | 0,5 | УЗ-обработка, 30 мин |
14 |
| - | 0,5 | УЗ-обработка, 10 мин |
Комплексную диэлектрическую проницаемость (КДП) образцов измеряли резонаторным методом на частоте 9,8 ГГц [3]. Полученные значения диэлектрической проницаемости (), диэлектрических потерь () и тангенса угла диэлектрических потерь () усреднялись по нескольким измерениям. Величина высокочастотной проводимости образцов определялась по формуле
,
где ω — частота.
Точность измерений составляла 10 и 20 % для и соответственно. Низкочастотные измерения емкости С пленок 8-14 проводили в двухэлектродной системе с диаметром латунных электродов 5 мм при давлении 1 МПа в диапазоне частот 25 Гц-1 МГц с помощью измерителя иммитанса Е7-20 (Россия). Величины низкочастотной диэлектрической проницаемости ε определялись из измеренного значения емкости С по формуле
,
а удельной низкочастотной электропроводности по формуле
,
где d — толщина образца, м; S — площадь электрода, м2; ε0 = 8,85·10-12 Ф/м — диэлектрическая проницаемость свободного пространства; R — электрическое сопротивление, Ом.
Все измерения проводились при комнатной температуре.
Результаты высокочастотных измерений гранулированных образцов 0-6 представлены в табл. 2, а высокочастотных и низкочастотных измерений пленочных образцов 8-14 в табл. 3.
Таблица 2
Диэлектрические характеристики полимерных композитов на основе сополимера ВП-ДМГД на частоте 9,8 ГГц
Полимерный композит | Содержание ОГ, мас. % | ε/ | ε// | tgδ | σсвч, См/м |
0 | 0,0 | 1,83 | 0,22 | 0,12 | 0,12 |
1 | 0,1–0,2 | 1,16 | 0,15 | 0,13 | 0,08 |
2 | 0,1–0,2 | 1,15 | 0,15 | 0,13 | 0,08 |
3 | 1,0 | 1,25 | 0,08 | 0,07 | 0,05 |
4 | 0,5 | 1,24 | 0,20 | 0,16 | 0,11 |
5 | 1,0 | 1,21 | 0,08 | 0,07 | 0,05 |
6 | 0,0 | 1,11 | 0,11 | 0,10 | 0,06 |
Для сополимера ВП–ДМГД и композитов 1-5 имеется индивидуальный набор высокочастотных параметров (см. табл. 2). Это можно объяснить различной концентрацией ОГ в полимерной матрице, степенью его агрегации и способом формирования ПК, при котором полярный растворитель – изопропиловый спирт и вода связываются прочной водородной связью с полярными группами сополимера – донорами электронов, образуя сетку водородных связей, и участвует в создании проводящих каналов. Сополимер (образец 6), выделенный из изопропилового спирта, и сформированные в нем полимерные композиты имеют высокочастотные параметры КДП ниже, чем у исходного сополимера (образец 0). Это обусловлено, возможно, снижением плотности водородных связей на поверхности раздела ОГ/полимер и адгезии к поверхности раздела в результате участия полярных групп сополимера в образовании этих связей между полимерными цепями. Для образца 4, по-видимому, условия его формирования и концентрация ОГ оказались наиболее подходящими для образования проводящих путей в композите, что привело к увеличению его высокочастотной электропроводности.
Для высокочастотных измерений введение ОГ в полимерную матрицу ВП-ДМТЭГ (8-14) и ее ультразвуковая обработка привели к росту величин и σсвч по сравнению с величинами в исходной полимерной матрице (образцы 8 и9) (см. табл. 3).
Таблица 3
Диэлектрические характеристики полимерных композитов оксида графита на основе сетчатого сополимера ВП-ДМТЭГ на частотах 9,8 ГГц и 10 кГц
Полимерный композит | ε/
| ε//
| tgδ
| σсвч, См/м
| ε | σнч*108, См/м |
8 | 1,66 | 0,44 | 0,26 | 0,24 | 7,44 | 2,4 |
9 | 2,04 | 0,34 | 0,17 | 0,19 | 4,27 | 1,6 |
10 | 2,58 | 0,83 | 0,37 | 0,45 | 2,44 | 1,1 |
11 | 1,70 | 0,62 | 0,40 | 0,34 | 2,33 | 0,8 |
12 | 2,09 | 0,69 | 0,33 | 0,37 | 3,23 | 1,7 |
13 | 2,90 | 0,91 | 0,28 | 0,49 | 2,30 | 1,3 |
14 | 2,66 | 0,72 | 0,27 | 0,39 | 1,82 | 0,9 |
Увеличение концентрации ОГ до 1 мас. % приводит к росту значения σсвч композита практически в два раза. Увеличение времени УЗ-обработки от 10 до 30 минут для образцов 13 и 14 также сопровождается ростом значения σсвч (см. табл. 3). В ряду образцов 11, 14 и 13, содержащих 0,5 мас. % ОГ, с увеличением времени УЗ-обработки от 3 до 30 мин наблюдается та же закономерность, что обусловлено, по-видимому, улучшением степени диспергирования ОГ в полимерной матрице. Можно предположить, что увеличение высокочастотных параметров полимерной матрицы при добавлении оксида графита происходит за счет увеличения контактов между частицами ОГ и полимерной матрицей и, как следствие, роста межмолекулярных взаимодействий (физических сшивок) между полярными группами ОГ и сополимером.
В случае низкочастотных измерений ультразвуковая обработка мономерной смеси приводит к снижению низкочастотных значений ε и σнчобразца 9 по сравнению с их значениями для образца 8 (см. табл. 3). По-видимому, под действием УЗ изменяется система межмолекулярных взаимодействий в смеси ВП-ДМТЭГ, и образуется сетчатый сополимер с другими электрофизическими характеристиками. Более того, значения ε и σнч для образца 8 максимальны среди образцов 8-14 в случае низкочастотных измерений (см. табл. 3). Из приведенных данных выделяется группа образцов 11, 14, 13. При одинаковом содержании ОГ (0,5 мас. %) в мономерной смеси увеличение длительности ее УЗ-воздействия привело к росту значений , σсвч и σнч полимерных композитов. Диспергирование углеродных наноматериалов в водных и органических средах c помощью ультразвукового воздействия приводит к уменьшению размеров их агломератов и способствует более равномерному распределению наночастиц наполнителя в полимерной матрице [4, 5]. Можно предположить, что в этом случае увеличение степени диспергирования наполнителя приводит к образованию бóльшего числа проводящих контактов и соответственно, увеличению значений электропроводности.
Сравнение результатов высокочастотных измерений для обеих групп образцов (первая — 0-6 и вторая — 8-14) выявило превышение значений КДП и электропроводности для второй группы полимерных композитов на основе сополимера ВП-ДМТЭГ по сравнению с первой группой полимерных композитов на основе сополимера ВП-ДМГД более чем в два раза. Такие значения электрофизических параметров могут быть обусловлены лучшей дисперсией наночастиц ОГ в матрице ВП-ДМТЭГ, имеющей сетчатую структуру.
Показано, что полученные электрофизические параметры зависят от топологии полимерных матриц и условий их формирования.
