رسانش کامپوزیت EVA با فیلر گرافن

هدایت الکتریکی و حرارتی کامپوزیت اتیلن وینیل استات با فیلر گرافن و کربن سیاه

کامپوزیت های اتیلن وینیل استات (EVA)  شامل دو نوع فیلر رسانای کربنی می شوند: کربن سیاه (CB) و گرافن (G) که با روش‌ ریخته‌گری حلال و ترکیب مذاب ساخته شدند. در اینجا، تأثیر مواد افزودنی و شرایط فرآیند بر خواص الکتریکی و حرارتی کامپوزیت ها مورد بررسی قرار گرفت. پاسخ دی الکتریک کامپوزیت های EVA با آستانه نفوذ 15 درصد وزنی در EVA/G تهیه شده به روش ریخته گری نیز مشخص شد. با این حال، از آنجایی که 15 درصد وزنی EVA/G نیز متعاقبا اکسترود شد، تنش برشی اعمال شده ناشی از اکستروژن باعث تخریب شبکه الکتریکی و کاهش رسانش الکتریکی کامپوزیت شد. یک شبکه نفوذی برای کامپوزیت های EVA حاوی حدود 7-5 درصد وزنی CB با افزایش 10 برابری مغناطیس مشاهده شد که رسانش الکتریکی را با توجه به EVA تمیز رسانش الکتریکی افزایش داد. رسانش حرارتی 7 درصدی EVA/CB و 15 درصدی EVA/G در مقایسه با EVA تمیز به ترتیب 16 و 22 درصد افزایش یافتند. هر دو افزودنی با افزایش رسانش حرارتی و الکتریکی کامپوزیت ها، آنها را به عایق مناسبی برای کابل های فشار قوی تبدیل کردند.

اتیلن وینیل استات (EVA) یک کوپلیمر تصادفی ساخته شده از اتیلن و مونومر وینیل استات از طریق پلیمریزاسیون توده ای پیوسته یا فرآیند امولسیونی است. محتوای وینیل استات (VA) موجود در کوپلیمر بین 1-50 درصد وزنی است و بسته به خواص فیزیکی و مکانیکی متغیر است. گنجاندن محتوای بالاتر VA در EVA میانگین وزن مولکولی در کوپلیمر را کاهش می دهد که در نتیجه، خواص کوپلیمر را تغییر می دهد. برای مثال مدول سفتی، سختی سطح، تبلور، نقطه ذوب و نقطه نرم شدن پلیمر EVA به دلیل محتوای بیشتر VA کاهش می یابد. اگر چه افزایش محتوای VA برخی از خواص را تضعیف می کند اما منجر به پیشرفت در کاربردهای الکتریکی می شود همچون استحکام دی الکتریک بالا، مقاومت حجمی بالا در برابر ولتاژهای کم و متوسط،​​ سازگاری با پلیمرهای قطبی برای اختلاط. اتیلن وینیل استات (EVA) و کامپوزیت های رسانای آن به طور گسترده در کابل های الکتریکی، هیترها و حسگرهای خود تنظیم، دستگاه‌ های الکترونیکی در صنعت خودروسازی و کاربردهای محافظ تداخل الکترومغناطیسی (EMI) استفاده می شوند. استفاده از کوپلیمر EVA تمیز بدون مواد افزودنی دارای معایبی همچون رسانش الکتریکی و حرارتی کم و گاهی اوقات خواص مکانیکی ناکافی است. بر همین اساس، ترکیب EVA خالص با افزودنی‌ های رسانا مانند گرافن می‌تواند به افزایش هدایت الکتریکی کمک کند. بهبودی در هدایت الکتریکی توسط EVA در اکسید گرافن و پلی آنیلین به ترتیب با افزودن 4 و 8 درصد وزنی مشاهده شد. همچنین پایداری حرارتی و هدایت الکتریکی در 42 درجه سانتیگراد و افزایش 10 برابری به ترتیب با افزودن 8 درصد وزنی گرافن عاملدار شده به EVA خالص مشاهده شده است. تأثیر محتوای VA در EVA بر پراکندگی گرافن و شبکه نفوذ نانوکامپوزیت EVA/G نشان داد که کمترین آستانه نفوذ برای محتوای VA تقریباً 20 درصد وزنی است. علاوه براین، با توجه به یافته های یانگ و همکارانش، هدایت الکتریکی نانوکامپوزیت EVA شامل فیلر کربنی است که به عنوان غلظت نانو-افزودنی در مجاورت آستانه نفوذ به محتوای VA وابسته است. شکل ذرات، مورفولوژی مواد افزودنی، هدایت الکتریکی ذاتی نانوفیلر و همچنین نسبت ابعاد فیلرهای رسانا همگی می‌ توانند به‌ طور قابل‌ توجهی هدایت الکتریکی و حرارتی نهایی در نانوکامپوزیت ها را تحت تاثیر قرار دهند. با این حال، در اینجا اثربخشی چندین نانوفیلر کربنی با اشکال و خواص فیزیکی متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه براین، روش ساخت و ادغام عوامل عملکردی یا سازگارکننده می‌تواند نقش مهمی در تعیین خواص کامپوزیت ساخته شده ایفا کنند.

بنابراین، در این مطالعه فیلر نسبتا کروی و بسیار رسانای CB در مقایسه با گرافن، به عنوان فیلر مرجع انتخاب شده است. گروه های اکسیژن دار مانند گروه های هیدروکسیل یا استری کم و بیش در کربن وجود دارند و انتظار می رود که با بخش قطبی (بخش VA) در کوپلیمر EVA سازگار باشد. بنابراین، سازگاری شبه-گرافن و کربن سیاه نقش مهمی در خواص کامپوزیت ایفا می کنند. با این حال، تاثیر روش ساخت اغلب میل شیمیایی و پراکندگی ذرات خواص نهایی کامپوزیت ها را تحت تاثیر قرار می دهد. از این رو، در اینجا اثر ترکیب مذاب پس از ریخته گری حلال بر خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی کامپوزیت های EVA/G در آستانه نفوذ بررسی شده است. تا جایی که ما می دانیم اکثر مطالعات قبلی در مورد EVA و نانوکامپوزیت‌ ها بر بررسی تأثیر محتوای VA، برهمکنش مواد افزودنی با ماتریس EVA، ترکیب EVA با پلیمرهای مختلف، استفاده از سازگارکننده‌ ها، و همچنین اصلاح سطح ذرات متمرکز بوده اند. مطالعات اندکی به بررسی تأثیر روش ترکیب بر جهت گیری مجدد ذرات و خواص حاصل شده پرداخته اند. در این مطالعه، ماتریس EVA با دو افزودنی رسانا، CB و گرافن با روش تکنیک ریخته گری حلال مخلوط شدند. یکی از نمونه های دارای غلظت بالای فیلر با کمک اکستروژن بیشتر پردازش شد. خواص حرارتی و مورفولوژی کامپوزیت ها و همچنین پاسخ دی الکتریک میدان کم نیز مورد بررسی قرار گرفتند.

میکروسکوپ الکترونی روبشی

در این مقاله، میکروگراف های SEM در کامپوزیت های EVA و EVA خالص همراه با CB و گرافن با 5 و 7 درصد وزنی محتوای CB نشان داده شده است. ذرات CB به طور تصادفی در سراسر کامپوزیت پراکنده شدند و به خوبی در محتوای 5 درصد وزنی CB پراکنده شدند. افزایش محتوای CB تا 7 درصد منجر به شروع اتصال بین ذرات، با اندازه ذرات جداگانه کمتر از 100 نانومتر و اندازه آگلومرا بین 100 تا 300 نانومتر می شود. در آن صورت، ذرات CB بیشتر در تماس هستند و یک شبکه کربن پیوسته را در داخل کامپوزیت تشکیل می دهند. این اراده در بخش بعدی بیشتر مورد بحث قرار گیرد. علاوه براین، مورفولوژی کامپوزیت های EVA با 10 و 15 درصد وزنی از محتوای گرافن نیز در اینجا بررسی شده است. در 10 درصد وزنی گرافن، برخی ورقه های پوسته ای مشاهده شد اما بیشتر آنها به دلیل تمایل ذاتی گرافن به آگلومره شدن روی هم انباشته شدند. با افزایش محتوای گرافن، اتصالات ذره به ذره و همپوشانی ورقه های گرافن بیشتری پیدا شد که منجر به ایجاد برخی آگلومراسیون ها در مقیاس میکرومتر شد. در ترکیب 15 درصدی EVA/G با روش ریخته گری حلال و به دنبال آن اکستروژن، مرحله اکستروژن اضافی باعث تخریب شبکه گرافن شد که در نهایت، منجر به تجمع بیشتر ورقه های گرافن به‌ عنوان برخی آگلومراهای بزرگتر 30 تا 40 میکرومتری شد.

خواص الکتریکی کامپوزیت های EVA حاوی افزودنی های کربنی وابستگی قابل توجهی به نوع افزودنی رسانا و همچنین روش ساخت را نشان می دهد. همچنین مشخص شد که خواص مکانیکی تحت تأثیر فرآیند ساخت قرار می گیرد. آستانه نفوذ برای کامپوزیت های EVA با CB کمتر از کامپوزیت های EVA حاوی گرافن بود. در آستانه پایین، کامپوزیت ها تلفات بالایی از خود نشان دادند که برای کلاس های مختلف دی الکتریک نیز مشاهده می شود. شروع دمای ذوب نیز علاوه بر نقطه کریستالیزاسیون به طور قابل توجهی تحت تاثیر محتوای فیلر قرار نگرفت. همین روند برای دمای تخریب حرارتی مشاهده شد که به طور قابل‌ توجهی تحت‌ تاثیر افزودن فیلرهای رسانا قرار نگرفت. کامپوزیت EVA حاوی CB و گرافن رسانش حرارتی نسبتا بالاتری از EVA خالص نشان دادند. تحلیل هدایت الکتریکی و حرارتی نشان می دهد که پراکندگی، توزیع و جهت گیری فیلر قویا این خواص را تحت تاثیر قرار می دهد.