Conductive Polymer Nanocomposites Γιαζιτζόγλου Μιχάλης Conductive Polymer Nanocomposites

Αγώγιμα Πολυμερή Ανακαλύφθηκαν στα μέσα του '70 Το μόνο που διαφοροποιεί πλέον τα πολυμερή από τα μέταλλα σε διάφορες εφαρμογές είναι η αγωγιμότητα. Η σπίθα είναι η ιδέα αγωγών με ιδιότητες πολυμερών.

Τα καλύτερα όμως είναι άπιαστα! Εφαρμογές Πλαστικές μπαταρίες Αισθητήρες Η/Μ μόνωση PLEDs Πλαστικά chips Τεχνητοί μύες Προστασία απο ESD Εφαρμογές στην μικρο-ηλεκτρονική Πολυμερή φωτοβολταικά Χημική μόνωση κ.α. Τα καλύτερα όμως είναι άπιαστα!

Με πρόσθετα η χωρίς; Polyacetylenes (PA)‏ Polypyrroles (Ppy)‏ Polyparaphenylenes (PPP) Polyanillines Polythiopenes Μεταλλοπολυμερή κ.α. Carbon blacks Polyacrylonitrile carbon fibers ( ανθρακονήματα )‏ Metal fillers κ.α.

Είδη nanocomposites Τα νανοσύνθετα αποτελούνται από τη βάση και τα νανοσωματίδια : Πεταλώδη Ινώδη Σωληνοειδή Σφαιρικά κ.α. Πολυμερή Μεταλλικά Κεραμικά Προφανώς και τα νανοσωματίδια χωρίζονται ανάλογα με το υλικό τους.

Νανοπρόσθετα Τα νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται απο τον 9ο αιώνα στη μεσοποταμία για χρωματισμούς. Μέσα σε πολυμερή για αγωγιμότητα χρησιμοποιήθηκαν προφανώς πολύ πιο μετά. Χρησιμοποιούνται κυρίως πρόσθετα από άνθρακα, μέταλλα και κεραμικά. Μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον για νέα σωματίδια.

Παραδείγματα Polyimine + NiO -> Μαγνητικές ιδιότητες Poly-N-vinylcarbazole polypyrrole or polyaniline ( PANI ) + κολλοειδή σωματίδια διοξιδίου του μαγγανίου ( MnO2 ) -> Αγωγιμότητα DC αυξανόμενη 10^7 έως 10^10 φορες ! Polypyrrole or polythiophene + V2O5 -> Σημαντική αύξηση αγωγιμότητας

Σημαντικά στοιχεία α) Η περιεκτικότητα αλλάζει τον τρόπο αγωγιμότητας. Με μικρή περιεκτικότητα η αγωγιμότητα εξαρτάται από το πολυμερές και ενισχύεται μόνο μέσω της αύξησης των φορέων απο τα πρόσθετα. Με μεγαλύτερη περιεκτικότητα η αγωγιμότητα οφείλεται σε φαινόμενα σήραγγας. Τελικά η αγωγιμότητα έρχεται μεταλλικά

Σταδιακή βελτίωση της διασποράς νανοσωλήνων άνθρακα σε πολυμερές Σταδιακή βελτίωση της διασποράς νανοσωλήνων άνθρακα σε πολυμερές. Η καλύτερη αγωγιμότητα έρχεται από την βέλτιστη διασπορα.

β) Αν τα πρόσθετα έχουν ινώδη η σωληνοειδή μορφή παίζει ρόλο η κατεύθυνσή τους Η κατεύθυνση μορφοποιείται με μαγνητικά πεδία κατά τη σύνθεση του πολυμερούς, ή με σύνθεση ακριβείας.

γ) Μεγάλο ρόλο παίζει η τεχνική με την οποία γίνεται η σύνθεση των υλικών Αν ο πολυμερισμός γίνεται παρουσία νανοπροσθέτων ( in situ ) το τελικό αποτέλεσμα θα είναι ΠΟΛΥ καλύτερο απ'ότι αν τα πρόσθετα εισαχθούν αργότερα.

Μεταλλικά νανοπρόσθετα Πολλές επιλογές για υλικά ανάλογα με την εφαρμογή. Σχετικά ακριβά αλλά φτηνότερα από άλλες λύσεις. Ακόμη είναι άγνωστες πολλές ιδιότητες τους, εχουν βρεθεί υλικά με μαγνητικές, παραμαγνητικές, ημιαγώγιμες και υπεραγώγιμες ιδιότητες.

Νανοπρόσθετα γραφίτη Φτηνό και ελαφρύ υλικό. Σχετικά απλή παραγωγή με χημικές μεθόδους. Σημαντική αύξηση αγωγιμότητας της τάξης του 10^3 – 10^17 ! Καλό για μετατροπή μονωτή σε ημιαγωγό. Η απάντηση στους νανοσωλήνες για εφαρμογές που δεν απαιτούν μεγάλη αγωγιμότητα. Καλύτερα από carbon blacks

Νανοσωλήνες άνθρακα Τι είναι; Δομές άνθρακα στον sp2 δεσμό που θυμίζουν τυλιγμένα φύλλα γραφίτη. Μπορούν να έχουν ένα τοίχωμα η πολλά τυλιγμένα ομοαξονικά. Εκπληκτικές θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες.

Δομή και αγωγιμότητα Η μεγάλη αγωγιμότητα οφείλεται στην ίδια τη δομή του σωλήνα. Λόγω του μονοδιάστατου χαρακτήρα τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται λιγότερο. Μεγαλύτερη μετρημένη ποσότητα ρεύματος σε υλικό, 10^9 Α/cm^2 ! Ανάλογα με τον τρόπο τυλίγματος επιτυγχάνεται η αγωγιμότητα, n-m πολλαπλάσιο του 3.

Το διάνυσμα δίνει τον τρόπο τυλίγματος του νανοσωλήνα και ανάλογα είναι ημιαγωγός ή αγωγός.

Νανοσωλήνες άνθρακα Τεχνητό υλικό, τρόποι παραγωγής : Arc – discharge Laser ablation Chemical vapour deposition Catalyst sol – gel Άλλες καινοτόμοι μέθοδοι που αναπτύσσονται ακόμη

Τρόποι μίξης με πολυμερή Λιωμένη μίξη : Ακατάλληλη μέθοδος για πολλά πολυμερή που δεν λιώνουν. Μίξη σε διάλυμμα : Η πιο κοινή λύση. Μίξη σε ρητίνες : Επίσης πολύ διαδεδομένη μέθοδος. In situ χημικές μέθοδοι.

Το ίδιο πολυμερές με διαφορετικές οξειδικές διεργασίες και κατεργασία, με αποτέλεσμα την διαφορετική αγωγιμότητα.

Πού κερδίζουν οι νανοσωλήνες Εκπληκτικές μηχανικές και θερμικές ιδιότητες πέρα απο την αγωγιμότητα που δεν συνδιάζουν άλλα υλικά ταυτόχρονα. Μεγάλη αγορά για μελλοντικές εφαρμογές τους σε σύνθετα πολυμερή. Χαμηλό percolation limit. Λόγω των γενικότερων εφαρμογών τους η τιμή κόστους πέφτει συνεχώς με την αυξανόμενη ζήτηση.

Εφαρμογές Ηλεκτροστατική μόνωση σε κελύφη αεροπλάνων και αγωγών καυσίμου. Προστασία απο ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τεράστια αγορά για διάφανους αγωγούς. Ελαφριοί αγωγοί και ημιαγωγοί. Υπερπυκνωτές. Γενικότερες εφαρμογές νανοσωλήνων πέρα απο τα πολυμερή.

References 1. L.A. Utaki. Clay-containing polymeric nanocomposites. 2. ACS symposium series 804. Polymer Nanocomposites. 3. J.A. Chilton and M.T. Goosey. Special polymers for electronics & optoelectronics. 4. G.G. Wallace et.al. Conductive electroactive polymers. 5. M.O.W. Richardson. Polymer engineering composites. 6. L. Nicolais and G. Carotenuto. Metal-polymer composites. 7. R.Khare , S. Bose. CNT based composites, a review. 8. J.H. Du. The present status and key problems of carbon nanotube based polymer composites 9. N.Coleman. Mechanical reinforcement of polymers using nanotubes. 10. M. Moniruzzaman. Polymer nanocomposites containing carbon nanotubes. 11. Klaus Friedrich, Stoyko Fakirov, Zhong Zhang. Klaus Friedrich, Stoyko Fakirov, Zhong Zhang 12. Terje A Skotheim, Ronald L Elsenbaumer, John R Reynolds, Inc NetLibrary. Handbook of Conducting Polymers 13. Bruno Scrosati. Applications of Electroactive Polymers. 14. Anatolij Dmitrievič Pomogajlo, Vladimir Nikolaevič Kestel'man. Metallopolymer nanocomposites