Xem mẫu
T¹p chÝ Hãa häc, T. 43 (2), Tr. 203 - 206, 2005
Cao su dÉn ®iÖn trªn c¬ së than ®en
§Õn Tßa so¹n 19-7-2004
Ng« KÕ THÕ1, §ç Quang Kh¸ng2, L¬ng NH H¶i2 1ViÖn Khoa häc VËt liÖu, ViÖn Khoa häc v* C«ng nghÖ ViÖt Nam 2ViÖn Hãa häc, ViÖn Khoa häc v* C«ng nghÖ ViÖt Nam
Summary
The conductive rubber has wide applications such as in flooring material to dissipate static electric charge, pressure sensitive sensors, electrodes used in medicine or for redox cells and electromagnetic shielding.
Carbon black-filled conductive natural rubber composites were prepared by conventional blending. The dependence of electrical conductivity upon the concentration of carbon black was investigated. It was found that the percolation threshold of the composites appeared when the concentration of carbon black in the mixture exceeded 25 wt%.
The electrical conductivity was increased sharply by using Fe3+ salt and graphite of 1 wt% and 1.5 wt% concentration, respectively.
I - §Æt vÊn ®Ò
C¸c vËt liÖu polyme truyÒn thèng thêng ®-îc dïng nh l! chÊt c¸ch ®iÖn v! c¸ch nhiÖt, l!m vá bäc cho d©y c¸p ®iÖn v! c¸c thiÕt bÞ sÊy nãng hay l!m l¹nh. Khi c¸c vËt liÖu polyme ®Æc biÖt l! cao su thiªn nhiªn cã kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn v! dÉn nhiÖt tèt th× ph¹m vi sö dông cña chóng ®îc më réng ®¸ng kÓ trong nhiÒu lÜnh vùc nh l!m th¶m khö tÜnh ®iÖn, sîi dÖt kh«ng tÝch ®iÖn, c¶m biÕn ¸p lùc, c¶m biÕn t¶i träng, vËt liÖu c¶n sãng ®iÖn tõ, c¸c vËt dÉn trong ®iÖn tö hay c¸c ®iÖn cùc trong y tÕ... [1, 2]. ¦u ®iÓm næi tréi cña c¸c vËt liÖu dÉn lo¹i n!y so víi kim lo¹i l! cã tû träng thÊp, mÒm dÎo, kh«ng bÞ ¨n mßn, dÔ t¹o d¸ng phï hîp víi yªu cÇu sö dông.
Tõ sau chiÕn tranh thÕ giíi lÇn thø hai ®P thÊy xuÊt hiÖn c¸c b»ng s¸ng chÕ ë Mü m« t¶ s¶n phÈm polyme dÉn ®iÖn nh cao su thiªn nhiªn, nhùa PVC, PE... [3 - 5]. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, nhiÒu t¸c gi¶ ë NhËt B¶n, Mü, Trung Quèc v! c¸c níc kh¸c vÉn quan t©m nghiªn cøu chÕ t¹o v! øng dông c¸c polyme dÉn trong c¸c
ng!nh ®iÖn tö, h!ng kh«ng v! d©n dông [6, 7].
C¸c polyme dÉn tõ tríc tíi nay thêng ®îc chÕ t¹o nhê ®é dÉn ®iÖn rÊt cao cña bét
kim lo¹i hay than ®en (carbon black). ë níc ta cha thÊy cã c«ng tr×nh nghiªn cøu n!o quan t©m ®Õn c¸c vËt liÖu lo¹i n!y mét c¸ch hÖ thèng, c¸c s¶n phÈm cña chóng còng cha ®îc øng dông nhiÒu. C«ng tr×nh n!y tr×nh b!y mét sè kÕt qu¶ nghiªn cøu chÕ t¹o cao su thiªn nhiªn dÉn ®iÖn trªn c¬ së than ®en.
II - Thùc nghiÖm
1. Nguyªn liÖu
- §èi tîng nghiªn cøu chÝnh l! cao su thiªn nhiªn (CSTN). CSTN sö dông l! lo¹i SVR-3L cña c«ng ty cao su ViÖt - Trung díi d¹ng creep tr¾ng cã h!m lîng (tèi ®a): tro 1%, chÊt dÔ bay h¬i 1%, nit¬ 0,6% v! chÊt bÈn cßn l¹i trªn r©y l! 0,2%. Cao su cloropren (CR) ®îc dïng ®Ó so s¸nh l! Skypren B-5 cña hPng TOSON NhËt B¶n.
203
- Than ®en (CB) ®îc sö dông nh l! phô gia dÉn ®iÖn cã ký hiÖu Chezacarb A cña hPng Chemopetrol. Mét sè tÝnh chÊt kü thuËt cña Chezacarb A ®îc tr×nh b!y ë b¶ng 1.
B¶ng 1: TÝnh chÊt cña Chezacarb A [8]
TÝnh chÊt §¬n vÞ Gi¸ trÞ ®o
§é hÊp phô nit¬ bÒ mÆt m2/g min 800 §é hÊp phô iot mg/g 900 - 1 200 H!m lîng tro % KL max 0,9 §é pH 6,5 - 9 §iÖn trë riªng /m max 1,5 Khèi lîng riªng g/l min 115
Lîng cßn l¹i trªn r©y %KL max 0,05 0,045 mm
- Bét graphit v! muèi s¾t hãa trÞ III cña Nga ®îc dïng nh l! chÊt phô gia t¨ng cêng ®é dÉn.
- C¸c chÊt lu hãa, xóc tiÕn, phßng lPo v! c¸c phô gia kh¸c l! c¸c s¶n phÈm cña Indonesia, H!n Quèc, Trung Quèc cã trªn thÞ trêng ViÖt Nam.
2. Ph¬ng ph¸p chÕ t¹o mÉu
MÉu thö nghiÖm ®îc chÕ t¹o theo c¸c th!nh phÇn chÝnh nh sau:
CSTN 100 0 CR 0 100 S 2,5 0 ZnO 5 5 MgO 0 3
Chezacarb A thay ®æi thay ®æi
Hçn hîp cao su ®îc trén hîp trªn m¸y c¸n 2 trôc v! sau ®ã ®îc Ðp lu hãa trong khu«n ®Ó t¹o mÉu ®o. M¸y Ðp v! m¸y c¸n l! m¸y phßng thÝ nghiÖm cña hPng Toyoseiki NhËt B¶n.
3. Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tÝnh chÊt cña vËt liÖu
- §é bÒn kÐo ®øt, ®é dPn d!i t¬ng ®èi, ®é dPn d ®îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn ISO-527-1, 1993 trªn m¸y ®o cña hPng ZWICH.
- TÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu dÉn ®iÖn ®îc thÓ hiÖn b»ng 2 ®¹i lîng: ®iÖn trë khèi v! ®é
204
dÉn ®iÖn. §iÖn trë khèi (. cm) ®îc ®o theo tiªu chuÈn ASTM-D991-89. §©y l! ph¬ng ph¸p ®o trªn hÖ 4 mòi dß, c¸c ®iÖn cùc ®îc tiÕp xóc víi mÉu ®o qua líp b¹c ®Ó tr¸nh tæn hao dßng. §iÖn trë khèi ®îc tÝnh theo c«ng thøc:
V.W.d.k I.l
Trong ®ã V l! hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a hai thÕ ®iÖn cùc (V), I: dßng ®iÖn gi÷a 2 ®iÖn cùc (A), W: chiÒu réng cña mÉu ®o (cm), d l! chiÒu d!y cña mÉu ®o (cm), l l! kho¶ng c¸ch gi÷a 2 thÕ ®iÖn cùc (cm) v! k l! hÖ sè ®iÒu chØnh.
§é dÉn ®iÖn (S.cm-1 hoÆc -1.cm-1) l! ®¹i lîng nghÞch ®¶o cña ®iÖn trë khèi:
= 1/
- CÊu tróc h×nh th¸i cña vËt liÖu ®îc kh¶o s¸t trªn m¸y SEM, JSM-5300 cña hPng JEOL, NhËt B¶n.
III - KÕt qu¶ v* th¶o luËn
1. ¶nh hëng h’m lîng than ®en tíi ®é dÉn ®iÖn cña tæ hîp CSTN
Trong phÇn nghiªn cøu n!y, c¸c yÕu tè vÒ b¶n chÊt vËt liÖu ®îc cè ®Þnh, chØ thay ®æi h!m lîng than ®en tõ 0 - 40% phÇn khèi lîng. KÕt qu¶ kh¶o s¸t ¶nh hëng cña h!m lîng than ®en tíi ®é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu ®îc m« t¶ b»ng ®å thÞ trong h×nh 1.
VÒ nguyªn t¾c, vËt liÖu cao su muèn dÉn ®iÖn th× ph¶i cã mét ®êng truyÒn víi ®iÖn trë thÊp, ®êng truyÒn n!y cã kh¶ n¨ng lan táa ra to!n bé vËt liÖu khi cã dßng ®iÖn. §é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu phô thuéc v!o sè tiÕp xóc hoÆc gÇn tiÕp xóc gi÷a c¸c kÕt tô than ®en n!y ®Õn kÕt tô than ®en kh¸c [9]. V× vËy, khi h!m lîng than ®en t¨ng lªn ®¹t ®Õn mét gi¸ trÞ n!o ®ã th× kho¶ng c¸ch trung b×nh gi÷a c¸c kÕt tô than ®en sÏ gi¶m, m¹ng 3 chiÒu cña pha dÉn ®iÖn ®îc h×nh th!nh (h×nh 2) l!m cho ®é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu t¨ng lªn ®ét ngét. Tr¹ng th¸i n!y ®îc ®¸nh dÊu b»ng thÓ tÝch tíi h¹n cña c¸c cÊu tö than ®en dÉn ®iÖn ®P ®¹t ®îc, ë ®©y l! 25% khèi lîng so víi CSTN. B¾t ®Çu tõ giíi h¹n n!y ®é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu t¨ng lªn rÊt nhanh.
10-10
14
10-30
12 1 2
10-50
10
10-70 8
10-90 6
10-110 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45
H!m lîng than ®en, CB, % 2 0 50 100 150 200 250 300
H×nh 1: ¶nh hëng h!m lîng than ®en ®Õn ®é dÉn ®iÖn cña tæ hîp CSTN
H×nh 2: ¶nh SEM cña tæ hîp cao su dÉn ®iÖn cã 40% CB
Tõ kÕt qu¶ kh¶o s¸t n!y thÊy râ r»ng ®é ph©n t¸n cña than ®en trong cao su l! yÕu tè rÊt quan träng, quyÕt ®Þnh ®Õn kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn cña vËt liÖu. §é dÉn ®iÖn cao cßn ®îc ®Æc trng bëi than ®en cã kÝch thíc h¹t bÐ, cÊu tróc bÒn, diÖn tÝch bÒ mÆt lç xèp lín v! h!m lîng chÊt bay h¬i thÊp [10].
2. ¶nh hëng b¶n chÊt cao su ®Õn ®é dÉn ®iÖn cña tæ hîp cao su
H×nh 3 thÓ hiÖn ®iÖn trë khèi cña 2 vËt liÖu dÉn tõ 2 lo¹i cao su cã cùc v! kh«ng cã cùc ®iÓn h×nh: CSTN v! CR.
NhiÖt ®é T (K)
H×nh 3: ¶nh hëng cña b¶n chÊt cao su tíi ®é dÉn cña tæ hîp cao su/than ®en
1: MÉu CSTN 40,2: MÉu CR 40
Tõ kÕt qu¶ thùc nghiÖm cho thÊy, tæ hîp CSTN cã ®iÖn trë cao h¬n tæ hîp cao su cloropren ë mäi nhiÖt ®é trong kho¶ng nghiªn cøu hay cã thÓ nãi tæ hîp CSTN cã ®é dÉn ®iÖn thÊp h¬n so víi tæ hîp cao su cloropren chøa cïng mét lîng than ®en (40%). Cao su cloropren cã ®é ph©n cùc lín h¬n CSTN. TÝnh ph©n cùc n!y ®P gióp cho t¬ng t¸c bÒ mÆt pha gi÷a cao su cloropren v! than ®en tèt h¬n, ®é ph©n t¸n cña than ®en còng sÏ cao h¬n. MÆt kh¸c, chÝnh ®é ph©n cùc do c¸c nguyªn tö Cl t¹o nªn ®P h×nh th!nh c¸c lç trèng ®iÖn tö gióp cho qu¸ tr×nh truyÒn ®iÖn tö thuËn lîi h¬n.
3. ¶nh hëng phô gia t¨ng cêng tíi ®é dÉn ®iÖn cña tæ hîp CSTN
Hai lo¹i phô gia, kim lo¹i v! graphit ®P ®îc nghiªn cøu sö dông ®Ó t¨ng cêng ®é dÉn cho vËt liÖu cao su cã chøa than ®en. Trong phÇn n!y mÉu nghiªn cøu ®îc ký hiÖu theo th!nh phÇn (%) cña than ®en-phô gia kim lo¹i/graphit.
Kim lo¹i, nhÊt l! mét sè kim lo¹i ®Æc biÖt nh Au, Ag, Cu,… dÉn ®iÖn rÊt tèt. Khi than ®en l! th!nh phÇn chÝnh t¹o nªn ®é dÉn ®iÖn cña cao su th× kim lo¹i hay c¸c muèi cña nã cã t¸c dông nh chÊt phô gia t¨ng cêng ®é dÉn cho vËt liÖu.
205
Muèi s¾t hãa trÞ III ®P ®îc sö dông ®Ó l!m phô 0 gia t¨ng cêng ®é dÉn. KÕt qu¶ kh¶o s¸t ¶nh
hëng cña phô gia lo¹i n!y ®Õn ®é dÉn ®iÖn cña 6 7 8 vËt liÖu ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 4. 8
14
6
12
3 4 4 10
8 2
6 0
0 50 100 150 200 250 300
4
2
0 50 100 150 200 250
NhiÖt ®é, K H×nh 5: ¶nh hëng cña phô gia graphit tíi ®é
dÉn cña tæ hîp CSTN/than ®en
6: MÉu CSTN 30-1, 7: MÉu CSTN 30-1\3, 300 8: MÉu CSTN 30-1\1,5
NhiÖt ®é, K
H×nh 4: ¶nh hëng cña phô gia kim lo¹i tíi ®é dÉn ®iÖn cña tæ hîp CSTN/than ®en
3: MÉu CSTN 25,4: MÉu CSTN 25-2
Víi mét h!m lîng rÊt nhá (2%) muèi s¾t hãa trÞ III, ®iÖn trë cña vËt liÖu CSTN cã 25% than ®en ®P gi¶m ®¸ng kÓ. Muèi kim lo¹i hãa trÞ III ph©n cùc m¹nh v! díi t¸c dông cña ®iÖn trêng c¸c ®iÖn tö 3d5 cña nguyªn tö Fe rÊt dÔ dån l¹i t¹o th!nh 2 « trèng. §©y l! ®iÒu kiÖn tèt ®Ó kÝch thÝch sù chuyÓn ®éng cña c¸c electron hãa trÞ cña than ®en.
NÕu so víi than ®en th× graphit cã ®é dÉn ®iÖn cao h¬n. DiÖn tÝch bÒ mÆt riªng cña graphit kh«ng cao nªn bÞ h¹n chÕ trong viÖc phèi trén víi c¸c polyme t¹o th!nh c¸c vËt liÖu compozit. Mét h!m lîng nhá graphit ®P ®îc sö dông nh l! chÊt phô gia t¨ng cêng ®é dÉn cho cao su. KÕt qu¶ kh¶o s¸t ®îc tr×nh b!y trªn h×nh 5. §iÖn trë cña mÉu sè 7 cã 3% graphit ®P gi¶m ®¸ng kÓ. Tuy nhiªn, h!m lîng graphit ®a v!o còng cã giíi h¹n. MÉu sè 8 cã chøa 1,5% graphit Ýt h¬n mÉu sè 7 song l¹i cã ®iÖn trë thÊp h¬n c¶.
206
IV - KÕt luËn
§P nghiªn cøu th!nh c«ng qui tr×nh, c«ng nghÖ chÕ t¹o tæ hîp CSTN/CB v! CR/CB cã ®é dÉn ®iÖn kh¸ cao, trong ®ã CR/CB dÉn ®iÖn tèt h¬n nhê tÝnh cã cùc cña cao su cloropren. Than ®en dÉn ®iÖn tèt ph¶i cã diÖn tÝch bÒ mÆt riªng lín, kÝch thíc h¹t nhá, ph©n t¸n tèt trong CSTN. Ph©n tÝch b»ng SEM ®P thÓ hiÖn sù tiÕp xóc gi÷a c¸c kÕt tô than ®en t¹o th!nh ®êng truyÒn gióp cho vËt liÖu dÉn ®iÖn.
Qu¸ tr×nh ph©n t¸n than ®en v!o CSTN ®Õn h!m lîng l! 25% th× tæ hîp CSTN/CB b¾t ®Çu dÉn ®iÖn. Tõ ngìng lan táa n!y, ®é dÉn ®iÖn cña tæ hîp vËt liÖu t¨ng lªn nhanh khi ta t¨ng h!m lîng than ®en.
§é dÉn ®iÖn cña tæ hîp CSTN/CB t¨ng ®¸ng kÓ khi sö dông víi mét lîng nhá chÊt phô gia t¨ng cêng ®é dÉn (1% muèi s¾t hãa trÞ III v! 1,5% graphit).
T*i liÖu Tham kh¶o
1. R. H. Norman. Conductive Rubber and
(Xem tiÕp trang 209)
Plastics, Elsevier, London (1970).
2. V. Haddadi-Asl, M. Kazacos, J. Applied Polym. Sci., Vol. 57, P. 1455 - 1463 (1995).
3. GB Patent 741738 (1955). 4. GB Patent 701156 (1953). 5. GB Patent 602677 (1948).
6. WO Patent 97/ 25 375 (1997).
7. EP Patent 1 065 238 A2 (2001).
8. A. S. Chemopetro. Inspection Certificate, Litvinov (2000).
9. L. Kar¸sek, M. Sumita. J. Mater. Science, Vol. 31, P. 281 - 289 (1996).
10. I. M. Aminabhavi, P. E. Cassidy and C. M. Thompson, ibid., Vol. 63, P. 451 (1990).
11. Ng« Phó Trï. Kü thuËt chÕ biÕn v! gia c«ng cao su, §H B¸ch khoa H! Néi (1995).
207
...
- tailieumienphi.vn
nguon tai.lieu . vn