Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Farzin,Mehdi Karevan
محمود فرزین (استاد راهنما) مهدی کاروان (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hasan Ehsandoust
حسن احسان دوست

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Experimental study of conductive stretchable polymer nanocomposites based on thermoplastic polyurethane and graphite to fabricate strain sensors
Polymers have good physical and mechanical properties but these properties are very low compared to metals and most of them are electrically insulated. One way to limit the low mechanical and electrical properties of polymers is to design and fabricate nanocomposites by combination different types of carbon-based nanoscale additives to polymers. Applications of these nanocomposites include the fabrication of strain sensors, electromagnetic interference shields, static anti-electricity plates, and the fabrication of flexible displays and lamps. In this study, thermoplastic polyurethane as base polymer and graphite as reinforcer were used to make conductive elastic nanocomposites. For fabrication of conductive nanocomposite samples, two methods of melt mixing and solvent mixing were selected in the weight percentages of 4, 6, 8 and 10. To investigate the electrical, structural and mechanical properties of this nanocomposite, various tests were performed on the samples. Results of the electrical conductivity test show that the solvent mixing method is a more suitable method for making this conductive nanocomposite and it provided much higher electrical conductivity than the melt mixing method and was chosen as the main method of fabricating nanocomposite samples. The conductivity threshold of this nanocomposite was obtained at 4 wt% and reached an electrical resistance of 212 k? and a conductivity of 9×10 -4 S/M. With increasing the graphite weight percent, we see an increase in conductivity and a decrease in electrical resistance such that at 6 wt% to electrical resistance of 49 k? and conductivity of 4×10 -3 S/M, at 8 wt% to electrical resistance of 27 k? and conductivity of 7×10 -3 S/M and at 10 wt% electrical resistances of 3.7 k? and conductivity of 5×10 -2 S/M. The stress-strain diagram of this nanocomposite indicates that the percentage of nanocomposite elongation with 10% by weight of graphite compared to pure polymer has decreased from 710% to 600%. Graph of changes in electrical resistance to strain shows the strain rate along with maintaining the conductivity properties and the strain sensitivity of this nanocomposite. Increasing the weight percent of graphite from 4 to 10, shows an increase in the strainability along with the conductivity of the nanocomposite, so that the strainability along the conductivity of the nanocomposite increases from 16% in the sample of 4 wt% to 27% in the sample of 6 wt% to 36% In the sample of 8% and 72% in the sample of 10%. Nanocomposite samples with 4%, 6%, 8% and 10% by weight of graphite have strain factor coefficients (gage factor) of 83, 35, 15 and 32 in the strain range of 0 to 5%, respectively in the meantime, the 4% weight sample has the highest gage factor which is a high range in resistive strain sensors. Key Words Elastic Polymer, Graphite, Electrical Resistance, Conductivity, Conductive Nanocomposite, Strain Sensor and Strain Sensitivity.
پلیمرها دارای خواص فیزیکی و مکانیکی خوبی هستند ولی نسبت به فلزات این خواص بسیار پایین است و اغلب آنها عایق الکتریکی هستند. یکی از راه های رفع محدودیت خواص مکانیکی و الکتریکی پایین پلیمرها، طراحی و ساخت نانو کامپوزیت هایی با ترکیب انواع مختلفی از افزودنی های پایه کربن در مقیاس نانو به پلیمرها است. از جمله کاربردهای این نانوکامپوزیت ها می توان به ساخت سنسورهای کرنشی، صفحات محافظ تداخل امواج الکترومغناطیس، صفحات ضد الکتریسیته ساکن وساخت نمایشگرها و لامپهای انعطاف پذیراشاره نمود. در این پژوهش از ترموپلاستیک پلی یورتان به عنوان پلیمر پایه و گرافیت به عنوان تقویت کننده برای ساخت نانوکامپوزیت قابل کشسان رسانا استفاده شد. برای ساخت نمونه های نانوکامپوزیتی رسانا دو روش اختلاط مذاب و اختلاط حلال و در درصد وزنی های 4، 6، 8 و 10 انتخاب شد. برای بررسی خواص الکتریکی، ساختاری و مکانیکی این نانوکامپوزیت، آزمون های مختلفی بر روی نمونه ها انجام گردید. نتایج آزمون هدایت الکتریکی نشان می دهد که روش اختلاط حلال روش مناسب تری برای ساخت این نانوکامپوزیت رسانا است و این روش رسانایی الکتریکی بسیار بالاتری نسبت به روش اختلاط مذاب فراهم نمود و به عنوان روش اصلی ساخت نمونه های نانوکامپوزیتی انتخاب شد. آستانه رسانایی این نانوکامپوزیت در درصد وزنی 4 حاصل شده و به مقاومت الکتریکی 212 کیلو اهم و رسانایی s/m 4- 10× 9 رسیده ایم. با افزایش درصد وزنی گرافیت شاهد افزایش رسانایی و کاهش مقاومت الکتریکی هستیم به طوری که در درصد وزنی 6 به مقاومت الکتریکی 49 کیلو اهم و رساناییs/m 3- 10× 4، در درصد وزنی 8 به مقاومت الکتریکی27 کیلو اهم و رسانایی s/m 3- 10× 7 و در درصد وزنی 10 به مقاومت الکتریکی 7/3 کیلو اهم و رساناییs/m 2- 10× 5 رسیدیم. نمودار تنش-کرنش این نانوکامپوزیت بیانگر این مطلب است که درصد ازدیاد طول نانوکامپوزیت با 10 درصد وزنی گرافیت نسبت به پلیمر خالص، از 710 به 600 درصد رسیده است. نمودار تغییرات مقاومت الکتریکی به کرنش نشان دهنده میزان کرنش پذیری همراه با حفظ خواص رسانایی و میزان حساسیت کرنشی این نانوکامپوزیت است. با افزایش درصد وزنی گرافیت از 4 تا 10 شاهد افزایش کرنش پذیری همراه با حفظ رسانایی این نانوکامپوزیت هستیم به طوری که میزان کرنش پذیری همراه با حفظ رسانایی از %16 در نمونه %4 وزنی به %27 در نمونه %6 وزنی و %36 در نمونه %8 وزنی و% 72 در نمونه %10 وزنی رسیده است. نمونه های نانوکامپوزیت با %4، %6، %8 و %10 وزنی گرافیت، به ترتیب دارای ضریب حساسیت کرنشی(گیج فاکتور) 83، 15، 35 و 32 در محدوده ی کرنش 0 تا %5 هستندکه در این میان نمونه %4 وزنی دارای بیشترین ضریب حساسیت کرنشی است که رنج بالایی در سنسورهای کرنشی مقاومتی محسوب می شود. کلمات کلیدی: پلیمر قابل کشسان، گرافیت، مقاومت الکتریکی، رسانایی، نانوکامپوزیت رسانا، سنسور کرنش و ضریب حساسیت کرنشی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی