РАДІАЦІЙНО-ІНДУКОВАНІ ЗМІНИ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ PEDOT:PSS/CNT НАНОКОМПОЗИТІВ

I. Zhydenko, Halyna Klym

Анотація


Досліджено вплив іонізуючого β- and γ-випромінювання на наносистеми PEDOT:PSS-CNT з використанням ізотопу 226Ra з активністю 0,1 мКі. Показано, що неопромінений зразок має питомий опір вище 28 кОм у діапазоні частот від постійного струму до 100 кГц. Опір падає до 25 кОм, оскільки частота збільшується до 1 МГц. Після 30-хвилинного опромінення опір в низькочастотному діапазоні збільшується приблизно на 2 кОм, а ефект після 30 хвилин подвоюється.

Змодельовано загальний низькочастотний опір композиту PEDOT:PSS-CNT як паралельне з'єднання опору Rpoly  та опору,  пов’язаного з нанотрубками Rnt, припускаючи, що нанотрубки створюють паралельний провідний шлях до того, що утворюється полімерною структурою. На основі отриманого значення загального низькочастотного опіру з експерименту (4,7 кОм) та, виконуючи прості обчислення для двох паралельних резисторів, одержано значення 5,7 кОм для Rnt. Показано, що подальше збільшення нанотрубок у полімері приводить до зниження опору одержаних нанокомпозитів. Продемонстровано, що одночасний вплив β- та γ-випромінювання з джерела 226Ra збільшує опір композиту PEDOT:PSS-CNT. Такі трансформації зумовлені одночасними змінами в Rnt та Rpoly. Після поглинання початкової дози, загальний опір композиту Rnt буде незмінним (5,7 кОм), паралельно пов’язаним  з підвищеним Rpoly (30 кОм). В результаті був би одержаний загальний опір  4,8 кОм, що є нижче від експериментально спостережуваного значення (5 кОм). Тому необхідним є розгляд обидвох радіаційно-індукованих складових у Rnt та Rpoly.

Одна з можливих причин збільшення Rpoly може бути пов'язана з радіаційно стимульованими паралельними процесами руйнування і з’єднання у полімері. Розрив ланцюга полімеру внаслідок поглинутого іонізуючого випромінювання призводить до перенесення заряду через π-електронні спряження, що супроводжується зменшенням електропровідності гібридної системи. Поява незавершених зв’язків з нескомпенсованими валентними електронами дозволяє блокувати ланцюги і стимулює «зшивання» полімеру. Ці зміни є незворотними, а ступінь перетворень залежить від дози опромінення, а також від структури полімеру.

Для підтвердження експериментальних результатів було проведено чисельне моделювання. Полімерну матрицю, наповнену нанотрубками, було змодельовано як 3D паралелепіпед з «електродами», прикріпленими до її протилежних країв, випадково заповненими відкритими провідними «нанотрубками» циліндричної форми. Результати розрахунків дозволили візуалізувати об'ємний розподіл нанотрубок та виділити провідні доріжки. Обчислена мінімальна об'ємна частка нанотрубок, необхідна для того, щоб змодельований композит став електропровідним, відома як поріг перколяції, становила близько 1%, що нижче, ніж експериментально спостережуваний поріг. Різниця може бути обумовлена кількома факторами, включаючи приблизні моделі (обмежена кількість елементів у системі) або умови  диспергування нанотрубок під час одержання зразків.

Ключові слова: нанокомпозит, нанотрубка, опромінення, полімерна матриця, електричні властивості, комп’ютерне моделювання.


Повний текст:

PDF (English)

Посилання


  1. Faiza Qammar M. A Sequenced study of improved dielectric properties of carbon nanotubes and metal oxide-reinforced polymer composites / M. Faiza Qammar, S. U. Butt, Z. Malik, A.A. Alahamadi, A. Khattak // Materials. – 2022. – Vol. 15(13). – P. 4592.
  2. Khachatryan G. Design of carbon nanocomposites based on sodium alginate/chitosan reinforced with graphene oxide and carbon nanotubes / G. Khachatryan, K. Khachatryan, J. Szczepankowska, M. Krzan, M. Krystyjan // Polymers. – 2023. – Vol. 15(4). – P. 925.
  3. Kuang T. Creating poly (lactic acid)/carbon nanotubes/carbon black nanocomposites with high electrical conductivity and good mechanical properties by constructing a segregated double network with a low content of hybrid nanofiller / T. Kuang, M. Zhang, F. Chen, Y. Fei, J. Yang, M. Zhong, ... T. Liu // Advanced Composites and Hybrid Materials. – 2023. – Vol. 6(1). – P. 48.
  4. Yang F. Chirality pure carbon nanotubes: Growth, sorting, and characterization / F. Yang, M. Wang, D. Zhang, J. Yang, M. Zheng, Y. Li // Chemical reviews, 2020 120(5), 2693-2758.
  5. Civalek Ö. Forced vibration analysis of composite beams reinforced by carbon nanotubes / Ö. Civalek, Ş. D. Akbaş, B. Akgöz, S. Dastjerdi // Nanomaterials. – 2023. – Vol. 11(3). – P. 571.
  6. Sambyal P. Ultralight and mechanically robust Ti3C2Tx hybrid aerogel reinforced by carbon nanotubes for electromagnetic interference shielding / P. Sambyal, A. Iqbal, J. Hong, H. Kim, M. K. Kim, S. M. Hong, ... C. M. Koo // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2019. – Vol. 11(41). – P. 38046-38054.
  7. Kumar A. A review on the mechanical properties of polymer composites reinforced by carbon nanotubes and graphene / A. Kumar, K. Sharma, and A. R. Dixit // Carbon Letters. – 2021. – Vol. 31(2). – P. 149-165.
  8. Gilshteyn E. P. Mechanically tunable single-walled carbon nanotube films as a universal material for transparent and stretchable electronics / E. P. Gilshteyn, S. A. Romanov, D. S. Kopylova, G. V. Savostyanov, A. S. Anisimov, O. E. Glukhova, A. G. Nasibulin // ACS applied materials & interfaces. – 2019. – Vol. 11(30) . – P. 27327-27334.
  9. Chao M. Functionalized multiwalled carbon nanotube-reinforced polyimide composite films with enhanced mechanical and thermal properties / M. Chao, Y. Li, G. Wu, Z. Zhou, L. Yan // International Journal of Polymer Science. – 2019. – P. 9302803.
  10. Lee Y. H. Self-healing nanocomposites with carbon nanotube/graphene/Fe3O4 nanoparticle tricontinuous networks for electromagnetic radiation shielding / Y.H. Lee, L. Y. Wang, C. Y. Tsai, C. W. Lee // ACS Applied Nano Materials. – 2022. – Vol. 5(11). – P. 16423-16439.
  11. Sayyed M. I. Radiation shielding properties of bi-ferroic ceramics added with CNTs / M. I. Sayyed, E. Hannachi, Y. Slimani, M. U. Khandaker, M. Elsafi // Radiation Physics and Chemistry. – 2022. – Vol. 200. – P. 110096.
  12. Heydari H. R. Cell line selection through gamma irradiation combined with multi-walled carbon nanotubes elicitation enhanced phenolic compounds accumulation in Salvia nemorosa cell culture / H. R. Heydari, E. Chamani, B. / Esmaielpour Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC). – 2020. – Vol. 142(2). – P. 353-367.
  13. Basgoz O. Synthesis and structural, electrical, optical, and gamma-ray attenuation properties of ZnO-multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) composite separately incorporated with CdO, TiO2, and Fe2O3 / O. Basgoz, O. Guler, E. Evin, C. Yavuz, G. ALMisned, S. F. Issa, ... H.O. Tekin // Ceramics International. – 2022. – Vol. 48(11). – P. 16251-16262.
  14. Karbovnyk I. Random nanostructured metallic films for environmental monitoring and optical sensing: experimental and computational studies / I. Karbovnyk, J. Collins, I. Bolesta, A. Stelmashchuk, Kolkevych A., S. Velupillai, H. Klym, O. Fedyshyn, S. Tymoshuk, I. Kolych // Nanoscale research letters. – 2015. – Vol. 10(1) . – P. 151.
  15. Karbovnyk I. Effect of radiation on the electrical properties of PEDOT-based nanocomposites / I. Karbovnyk, I. Olenych, O. Aksimentyeva, H. Klym, O. Dzendzelyuk, O. Hrushetska // Nanoscale research letters. – 2016. – Vol. 11. – P. 1-5.




DOI: http://dx.doi.org/10.30970/eli.23.1

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.