SUPERVISOR
Roohollah Bagheri
روح اله باقری (استاد راهنما)
STUDENT
Hadi Najafi Pazhooh
هادی نجفی پژوه
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Preparation of Electrical Conductive Natural Rubber/Copper Nanoparticle Composites and Investigation of theirOzone Resistance
Nowadays, conductive polymer composites have many applications such as electronic components, polymer anodes, cable coverage and etc. Compared to metals, conductive rubber composites have some advantages such as low density, ease of shaping, flexibility, wide range of electrical conductivity and corrosion resistance. These composites have special applications like flexible solar cell, biosensors, polymer anodes and etc. conductive carbon black and metallic particles are commonly used as Conductive fillers. Various rubbers such as NR, NBR, EPDM and silicone rubber are used for conductive composites. Among rubbers, NR has been atteracted a lot of attention due to good processability, low prices, availability, and highest elastic properties.However, iite of its high electrical resistance, there are some applications that repair electrical conductivity of NR. In this study, copper nanoparticles have been used as conductive fillers to increase the conductivity in natural rubber. In order to increase the compability between Copper particle and natural rubber,nanoparticles surfaces were modified with stearic acid and then applied into natural rubber .Incorporation of Copper particles into natural rubber was carried out in two ways, melt mixing and solvent/melt mixing method. Vulcanisation of the compounded NR was carried out under the same conditions. The samples containing various amount of nanoparticles were cured with two different curing systems (conventional and efficient). Electrical resistance of the prepared samples was measured using a four- electrode method. Threshold percolation and microstructure of samples were analyzed using scanning electron microscopy. Mechanical properties, crosslinking density and ozone resistance of specimens respectively were measured by tensometer, swelling and ozone resistance tests according to ASTM standard method. The results of this study show that the addition 0.5 phr copper nanoparticles there is no significant change in the electrical conductivity. The higher value of copper nanoparticles in natural rubber increases the electrical conductivity. In 1 phr copper nanoparticles the threshold percolation occurs and electrical conductivity reaches its highest value. But always, The electrical conductivity increasing with increasing the copper particles amount will not happen simultaneously. Between copper particles and sulfur always a chemical reaction happens at curing temperatures Which leads to the production of copper sulfide. In addition, the formation of copper sulfide particles have results in electrical conductivity reduction compared to original copper particles in other hand By taking out the sulfur affect negatively on crosslinking density of polymer networks and reduce the number of crosslinking per unit volume .also Reducing the amount of crosslinking density, electrical conductivity also drops. This process normally occurs in both sulfur curing systems, efficient and conventional vulcanization. Microscopic images of samples were taken for different percentages and was determined by the method of solvent - melt separation is more desirable to achieve maximum dispersion and distribution. Similarly, samples with different percentages of the composition of the particles were chosen to test the elasticity and hardness measurement. Samples of their electrical properties were favorable for ozone resistance test were selected. The results of these tests showed that the presence of copper nanoparticles in natural rubber as a barrier against the penetration and growth of cracks caused by the ozone destruction. Ozonide sample were taken from the ATR-IR test. The results show that the reaction between ozone and unsaturated bonds of polymer chain lead to degradation and carbonyl groups in the molecular structure emerges . The samples with high electrical conductivity test was used to determine the conductive heat transfer coefficient on the lead . The test results show that the presence of copper particles increase the thermal conductivity of the composites. Keywords: aturalRubber,Copperanoparticles,ElectricalResistivity,OzoneResistance.
هرگاه در ساخت کامپوزیت پلیمری رسانا از لاستیک به عنوان زمینه پلیمری استفاده شود کامپوزیت رسانای انعطاف پذیر به دست میآید. این کامپوزیت رسانای منعطف کاربردهای ویژه ای پیدا میکند مانند پیل های خورشیدی منعطف، بیوسنسورها، نمایشگرهای انعطاف پذیر، آندهای پلیمریو غیره. معمولا پرکننده های رسانایی که در لاستیک ها استفاده می شوند دوده های رسانا و ذرات فلزی است. لاستیک های متفاوتی نظیرلاستیک طبیعی(NR)،آکریلونیتریل بوتادی ان رابر(NBR)،اتیلن پروپیلن دی ان مونومر(EPDM)، سیلیکون رابر وغیره جهت این کاربرد استفاده می شوند. مزایای لاستیک طبیعی داشتن فرآیندپذیری خوب، قیمت ارزان، در دسترس بودن و دارا بودن خواص الاستیک بالاتر است و به همین دلایل کاربردهای فراوانی دارد. اما به خاطر بالابودن مقاومت الکتریکی آن ، به عنوان عایق شناخته می شود.این عایق بودن همیشه برای لاستیک طبیعی مزیت نیست و در بعضی از کاربردها نیاز به رسانایی در آن وجود دارد. در این پژوهش برای حصول به این رسانایی در لاستیک طبیعی برای اولین بار از نانوذرات مس به عنوان پرکننده رسانا استفاده شده است. به منظور بالابردن سازگاری ذرات مس با لاستیک طبیعی قبل از اضافه نمودن ذرات مس به کائوچوی طبیعی سطح آن با اسید استئاریک اصلاح گردید. طبق فرمولاسیون پایه از مواد افزودنی مختلف حاوی دوسیستم پخت گوگردی عادی و کارا و درصدهای مختلفی از نانوذرات آمیزه های لازم تهیه شدو از طریق قالبگیری تراکمی ولکانیزاسیون صورت گرفت و ورق های لاستیک با ضخامت 5/2 میلی متر تهیه گردید. مقاومت الکتریکی نمونههای تهیه شده توسط آزمون مقاومت الکتریکی به روش چهار الکترودی اندازه گیری شد. آستانه تراوایی و ریزساختار نمونه ها نیز با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)مورد ارزیابی قرار گرفت. خواص مکانیکی ، دانسیته اتصالات عرضی و مقاومت ازونی نمونه ها به ترتیب با آزمون کشش سنجی، آزمون تورم و آزمون مقاومت ازونی اندازه گیری شد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهد که با افزودن phr5/0 از نانوذرات مس تغییری قابل توجهی در هدایت الکتریکی آن ایجاد نمی شود اما در phr1 آستانه تراوایی رخ می دهد و هدایت الکتریکی به بالاترین مقدار می رسد.با افزودن مقدار phr 5/1 از نانوذرات مس به ماتریس NR هدایت الکتریکی افت پیدا نمود که با افزایش مقدار بیشتر نانوذرات این افت ادامه یافت( phr 2، hr3 و ...).تشکیل سولفید مس-1 (Cu 2 S) در نمونه ها تشخیص داده شد که موجب افزایش مقاومت الکتریکی نمونه ها می گردد. با مصرف شدن گوگرد متوسط تعداد پیوندهای عرضی در واحد حجم نمونهها کاهش می یابد. با کاهش دانسیته اتصالات عرضی نمونه ها، مقدار هدایت الکتریکی نیز افت می کند که این روند در هر دوسیستم پخت گوگردی کارا و عادی رخ می دهد. از نمونه ها با ترکیب درصدهای مختلف تصاویر میکروسکوپی SEMتهیه شد و مشخص شد که روش حلال-مذاب برای رسیدن به حداکثر توزیع و تفکیک نانوذرات مس، مطلوب تر است. نمونه های با ترکیب درصدهای مختلف از ذرات جهت آزمون کشش سنجی و سختی انتخاب و نمونه هایی که خواص الکتریکی شان مطلوب بود جهت انجام آزمون مقاومت ازونی انتخاب شدند. نتایج آزمون مقاومت ازونی نشان داد که حضور نانوذرات مس در لاستیک طبیعی نقش یک مانع را در برابر نفوذ و رشد ترک ناشی از تخریب ازونی ایفا می کند. از نمونه ی ازونیده شده آزمونATR-IR گرفته شد. نتایج نشان می دهد که در اثر واکنش بین ازون و پیوندهای غیراشباعی، گروه های کربونیل در ساختار ملکولی پدید می آید. از نمونه ی با هدایت الکتریکی بالا آزمون تعیین ضریب انتقال حرارت هدایتی نیز گرفته شد. نتایج این آزمون نشان می دهد که حضور ذرات مس باعث افزایش هدایت حرارتی کامپوزیت می شود. کلمات کلیدی: لاستیک طبیعی،مقاومت ازونی، مقاومت الکتریکی،نانوذرات مس.