Multikomponentní polymerní systémy s elektromagnetickými vlastnostmi

Ing. Marek Jurča

Doctoral thesis

Multicomponent polymer systems with electromagnetic properties

Abstract:

This work focusses on three types of electrically conductive multicomponent polymer systems: 1) nickel-filled immiscible polymer blend composites, 2) Ni-polyaniline (PANI) core-shell particles, and 3) polypyrrole (PPy) coated melamine porous structures (MS) with coprecipitated Fe3O4 nanoparticles. The nickel-filled adhesive polymer composites were investigated experimentally and by numerical modelling to optimize the electrical and mechanical properties. Utilization of an immiscible polymer blend with an optimized ratio of epoxy resin (ER) and polydimethylsiloxane (PDMS) resulted in a reduction of electrical percolation threshold (EPT) from 7.9 to 3.7 vol.% Ni. The adhesion of the composite material was enhanced by 20% and the impact toughness by 75% by the addition of PDMS. Prior to the actual preparation of the composite materials, Monte Carlo and finite element method (FEM, Digimat-Fe 6.1.1) simulations were performed, which correlated well with the measured conductivity of the prepared composite materials. The synthesized core-shell Ni-PANI particles contained 7?60 wt.% Ni. The pressure dependence of the conductivity was measured for these particles, with the particles reaching conductivities of up to 10-2 S/cm in the moulded form. The lower conductivity of the particles compared to pure PANI was due to a lower degree of protonation. However, compared to neat PANI, Ni-PANI particles achieved two orders of magnitude higher magnetization (Ms = 34.5 emu/g). The addition of these particles to thermoplastic polyurethane resulted in a significant increase in stiffness 13 times. Electromagnetic interference testing of these materials showed good shielding with 15% absorption and 50% reflection. The electrical conductivity as a function of compression of the in situ synthesized MS/PPy porous structures decreased slightly by coprecipitation of Fe3O4 nanoparticles from 0.05 to 0.02 S/cm. However, this decrease was compensated by a dramatic increase in magnetization by 2 orders of magnitude to Ms = 12.3 emu/g, leading to an increase in microwave absorption from 50% to 75% and a decrease in transmission from 30% to 10%. Carbonization of MS/PPy with increased PPy content (27.4 wt.%) at 700 °C in an inert atmosphere was also performed, during which the porosity of the material measured by both specific surface area (300 m2/g) and pore volume (0.25 cm3/g) increased fourfold. The change in structure led to a drop in electrical conductivity from 0.2 to 0.03 S/cm.

Abstract:

Tato práce se zabývá třemi typy elektricky vodivých multikomponentních polymerních systémů: 1) niklem plněné kompozity na bázi nemísitelného polymerního blendu, 2) Ni-polyanilinové (PANI) core-shell částice a 3) polypyrolem (PPy) potažené melaminové porézní struktury (MS) s koprecipitačně připravenými Fe3O4 nanočásticemi. Adhezivní polymerní kompozity plněné niklem byly zkoumány experimentálně a numerickým modelováním s cílem optimalizace elektrických a mechanických vlastností. Využití nemísitelné polymerní směsi s optimalizovaným poměrem epoxidové pryskyřice (ER) a polydimetylsiloxanu (PDMS) vedlo ke snížení elektrického perkolačního prahu (EPT) ze 7,9 na 3,7 obj.% Ni. Přídavkem PDMS byla adheze kompozitního materiálu zvýšena o 20 % a rázová houževnatost o 75 %. Před samotnou přípravou kompozitních materiálů byly provedeny simulace pomocí metody Monte Carlo a metodou konečných prvků (FEM, Digimat-Fe 6.1.1), které dobře korelovaly s naměřenou vodivostí připravených kompozitních materiálů. U syntetizovaných core-shell částic Ni-PANI obsahujících 7?60 hm.% Ni byla změřena závislost vodivosti na tlaku, kdy v lisované formě vodivost dosahovala až 10-2 S/cm. Nižší vodivost částic ve srovnání s čistým PANI byla způsobena nižším stupněm protonace. Nicméně proti čistému PANI dosahují Ni-PANI částice o dva řády vyšší magnetizaci (Ms = 34,5 emu/g). Přídavkem těchto částic do termoplastického polyuretanu došlo až k 13násobému nárůstu tuhosti. Testování těchto materiálů na elektromagnetickou interferenci ukázalo dobré stínění s absorpcí 15 % a reflexí 50 %. Elektrická vodivost v závislosti na tlaku in situ syntetizovaných MS/PPy porézních struktur mírně klesla koprecipitací nanočástic Fe3O4 z 0,05 na 0,02 S/cm. Nicméně tento pokles byl vyvážen dramatickým nárůstem magnetizace o 2 řády na Ms = 12,3 emu/g, což vedlo k nárůstu absorpce mikrovlnného záření z 50 na 75 % a poklesu transmise z 30 na 10 %. Byla provedena také karbonizace MS/PPy se zvýšeným obsahem PPy (27,4 hm.%) při 700 °C v inertní atmosféře, během které vzrostla porozita materiálu měřená specifickým povrchem (300 m2/g) a objemem pórů (0,25 cm3/g) čtyřnásobně. Změna struktury vedla k poklesu elektrické vodivosti z 0,2 na 0,03 S/cm.

Keywords

kompozitní materiály, elektrická vodivost, elektromagnetické stínění, počítačové modelování, polymerní povlaky, vodivé polymery

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 11. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 18. 1. 2023

Tomas Bata University in Zlín

Tomas Bata University in Zlín

Doctoral programme / field:
Nanotechnology and Advanced Materials / Nanotechnology and Advanced Materials