SUPERVISOR
عباس آقاجانی (استاد مشاور) روح اله باقری (استاد راهنما) محمود معصومی (استاد راهنما)
STUDENT
Zeinab Mollaei
زینب ملائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Preparation of Conductive Composites Based on EPDM and its Blend with NBR for Production of Electrical Current Anodes
Electrical conductive polymer composites have significant growth in the manufacture of electrical and electronic components, polymer anodes, various sensors, electromagnetic interference shielding and etc. Compared to metals, conductive polymer composites have some advantages such as low density, ease of shaping, flexibility in design, wide range of electrical conductivity and corrosion resistance. Nowadays, carbon black (CB) particles and carbon fibers are the most commonly used to induce conduction to polymer composites. The aim of this work is to prepare flexible conductive composites for cable anode application. These cables are used for cathodic protection of buried pipes and tanks. In this study, the effect of adding three types of carbon black N550, Ensaco 250 G and Printex XE 2 B, with different structures and specific surface area on EPDM and EPDM/NBR matrix composites were investigated. The electrical resistance of the samples was measured by a four electrode method. Morphology of the samples was studied using scanning electron microscopy. Curing properties of compounds were studied by a rheometer. Mechanical and electrochemical properties of the samples were investigated by tensile test and anodic polarization in Na 2 SO 4 solution. At first, electrical resistivity and percolation threshold of the cured samples with a sulfur system, with different amounts and types of CB in EPDM matrix, were measured. The results showed that by increasing structure and specific surface area, percolation threshold and the electrical resistance of the composites decreased. The percolation threshold for the samples containing Printex, Ensaco and N550, was about 5-10, 20, 30-50 (phr) respectively. The microstructure, distributed particle size and distance between particles, were completely different for the different samples. By increasing structure and surface area, particle size became smaller and the distance between the particles decreased. Also by increasing CB amount in the samples with the same type of CB, the number of CB particles increased and conductive network formed easier. The electrical resistance of EPDM/CB composites containing 30, 70 and 150 (phr) of Printex, Ensaco and N550 was about the same (2.5-3 ohms-cm). This is suitable for use in polymer flexible anodes so they were selected to continue the study. Curing diagrams of these samples showed that the compound containing 150 (phr) of N550 had a very high viscosity that led to the difficult forming process. Tensile test results showed that the sample containing 150 (phr) of N550 had a much higher modulus and lower strength and elongation at break than the other samples. The results of anodic polarization showed that oxidation reaction of water began at higher potentials for the sample containing 30 (phr) of Printex. This led to increase oxidation reaction and less electrochemical environment stability for CB. By comparing mechanical and electrochemical properties and curing diagrams of selected samples, the compound containing 70 (phr) of Ensaco was choose and cured by a peroxide instead of sulfur system. The results showed that electrical resistance of peroxide cured sample was much greater than the sulfur cured sample. This might be due to lower cross-link density in peroxide cured sample. Sulfur and peroxide cured samples had about similar modulus, but strength and elongation at break for peroxide cured sample was greater. Anodic polarization of these samples did not differ. Then, compounds containing 70 (phr) of Ensaco and EPDM were alloyed with different amounts of NBR, and new series of samples were prepared by peroxide curing. The results, showed that by increasing amount of NBR in the composites, electrical resistivity decreased from about 12 ohm-cm for sample without NBR, to about 4 ohm-cm for sample containing 50 (phr) NBR. Also by increasing NBR, modulus increased and strength and elongation at break decreased generally. Anodic polarization of alloyed samples did not show any difference with themselves. Key Words : conductive composite, carbon black, EPDM, polymer anode
کامپوزیت های پلیمری رسانای الکتریسیته در سال های اخیر رشد قابل توجهی در ساخت قطعات الکتریکی و الکترونیکی، آند های پلیمری، پوششهای پراکنده ساز بار ساکن، انواع سنسورها، سپرهای حفاظتی و غیره داشته اند. در مقایسه با فلزات، کامپوزیت های پلیمری رسانا مزایایی چون دانسیته پایین، سهولت شکل دهی و انعطاف در طراحی، محدوده وسیع رسانایی الکتریکی و مقاومت به خوردگی دارند. امروزه دوده و الیاف کربن معمول ترین اجزاء رسانا جهت تولید کامپوزیت های پلیمری رسانا هستند. علت این امر تمایل بیشتر ذرات دوده به تشکیل یک شبکه رسانا نسبت به سایر افزودنیهای رسانا چون پودرهای فلزی، به علت ساختار تجمع یافته زنجیره مانند در دوده است. از کامپوزیت های پلیمری رسانای انعطاف پذیر می توان برای ساخت آندهای کابلی استفاده کرد. این کابل ها برای حفاظت کاتدی لوله های دفن شده و مخازن استفاده میشوند. در این پژوهش اثر افزودن سه نوع دوده N550، Ensaco 250 G و Printex XE 2 B، با ساختار و و سطح ویژه متفاوت، بر مقاومت الکتریکی و آستانه تراوایی کامپوزیت های با زمینه EPDM و ٍٍEPDM/NBR بررسی شد. مقاومت الکتریکی نمونه ها به روش چهار الکترودی اندازه گیری شد. ریز ساختار نمونه ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، و ویژگی های پخت آمیزه ها با استفاده از رئومتر مطالعه شد. خواص مکانیکی و الکتروشیمیایی نمونه ها نیز با استفاده از آزمون کشش سنجی و پلاریزاسیون آندی در محلول Na 2 SO 4 بررسی شد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهد با افزایش ساختار و سطح ویژه دوده آستانه تراوایی کم شده و در یک درصد یکسان از سه دوده، مقاومت الکتریکی کاهش می یابد. به این ترتیب آستانه تراوایی برای نمونه های حاوی دوده Printex ، Ensaco و N550 به ترتیب حدود 10-5، 20 و 30-50 (phr) به دست آمد. در مقادیر یکسان از سه دوده در کامپوزیت، ریزساختار نمونه ها کاملا متفاوت بوده و اندازه ذرات پخش شده و فاصله ذرات در نمونه ها متفاوت است. با افزایش ساختار و سطح ویژه، اندازه ذرات کوچکتر شده و فاصله بین ذرات کاهش می یابد. با افزایش مقدار دوده در کامپوزیتهای با یک نوع دوده مشخص نیز، تعداد ذرات افزایش یافته و تشکیل شبکه رسانا در زمینه پلیمر به وسیله اتصال ذرات دوده، با سهولت بیشتری صورت می گیرد. مقاومت الکتریکی نمونه های EPDM/دوده به ترتیب حاوی مقادیر 30، 70 و 150 (phr) از دوده های Printex، Ensaco و N550 مشابه و در حدود 3-5/2 اهم-سانتی متر بوده و مناسب برای استفاده در آندهای انعطاف پذیر پلیمری است. بنابراین این نمونه ها برای ادامه کار انتخاب شدند. منحنی پخت این نمونه ها نشان داد که آمیزه نمونه حاوی 150 (phr) دارای ویسکوزیته بسیار بالایی است که شکل دهی آن را بسیار مشکل می نماید. نتایج آزمون کشش سنجی نشان داد نمونه دارای 150 (phr) دوده N550 دارای مدول بسیار بالاتر و استحکام و کرنش شکست کمتر نسبت به دو نمونه انتخاب شده دیگر است. نتایج پلاریزاسیون آندی این سه نمونه نیز نشان داد که در نمونه حاوی 30 (phr) دوده Printex واکنش اکسیداسیون آب در پتانسیل های بالاتر شروع می شود و همین امر باعث می شود واکنش اکسیداسیون کربن بیشتر انجام شده و نمونه پایداری کمتری در محیط الکتروشیمیایی از خود نشان دهد. با مقایسه خواص رئولوژیکی، مکانیکی و الکتروشیمیایی این سه نمونه، نمونه حاوی 70 (phr) دوده Ensaco برای ادامه کار انتخاب و با یک پراکسید پخت شد. نتایج نشان داد مقاومت الکتریکی نمونه پخت شده با پراکسید، نسبت به نمونه مشابه پخت شده با سامانه گوگردی حدود چهار برابر است، که این امر می تواند به علت کمتر بودن دانسیته اتصالات عرضی در نمونه پخت شده با پراکسید باشد. همچنین دو نمونه مشابه پخت شده به سامانه گوگردی و پراکسید دارای مدول تقریبا یکسان بودند اما کرنش و استحکام شکست نمونه پخت شده با پراکسید بیشتر بود. پلاریزاسیون آندی این دو نمونه تفاوتی با هم نداشتند. سپس آمیزه حاوی 70 (phr) دوده Ensaco و EPDM با مقادیر مختلف از NBR آلیاژ شد و نمونه های جدیدی با پخت پراکسیدی تهیه شد. نتایج حاصل از انجام آزمون ها بر نمونه های آلیاژی نشان داد که با افزایش درصد NBR در کامپوزیت، مقاومت الکتریکی از حدود 12 اهم سانتی متر برای نمونه فاقد NBR به حدود 4 اهم-سانتی متر برای نمونه حاوی 50 (phr) NBR کاهش می یابد. همچنین به طور کلی با افزایش NBR مدول نمونه ها افزایش یافته و استحکام و کرنش شکست نمونه ها کاهش می یابد. پلاریزاسیون آندی نمونه های آلیاژی تفاوتی با نمونه فاقد NBR نشان نداد. کلمات کلیدی : آندهای پلیمری، دوده، کامپوزیت رسانا، EPDM