xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Σχέση Μεταξύ Μορφολογίας και Ηλεκτρικών Ιδιοτήτων Νανοσύνθετων Υλικών
PP/PPy/MMT
Χ. Ζώης 1* , Εμ. Λογκάκης 1 , Χρ. Πανδής 1 , Π. Πίσσης 1 , Λ. Απέκης 1 , M. Mravčáková 2 και M. Omastová 2
1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ΣΕΜΦΕ, Τομέας Φυσικής, Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, GR 15 780 Αθήνα, Ελλάδα
2 Slovak Academy of Sciences, Polymer Institute, Dúbravská cesta 9, 842 36 Bratislava, Slovakia
*E-mail: chzois@central.ntua.gr
Τα αγώγιμα πολυμερή, όπως η πολυπυρρόλη και η πολυανιλίνη, παρουσιάζουν έντονο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια,
λόγω των πολλών εφαρμογών που έχουν σε σύγχρονες τεχνολογίες αιχμής. Η πληθώρα των τεχνολογικών εφαρμογών τους
οφείλεται, κυρίως, στις υψηλές τιμές της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Αρκετά συχνά τα υλικά αυτά συνδυάζονται με ένα
δεύτερο υλικό (π.χ. κάποιο πολυμερές), σχηματίζοντας έτσι σύνθετα υλικά με βελτιωμένες φυσικές ιδιότητες (θερμικές,
μηχανικές, κ.α.). Μίγματα πολυπροπυλένιου (PP) και πολυπυρρόλης (PPy) είναι χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι αγώγιμων
σύνθετων πολυμερικών υλικών [1]. Μία ξεχωριστή κατηγορία των υλικών αυτών είναι εκείνη στην οποία τα αγώγιμα
πολυμερή ενσωματώνονται μεταξύ των στρωμάτων σε φυλλόμορφους πηλούς (clays), με αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων,
νανοσύνθετων υλικών. Έχει βρεθεί ότι η παρουσία μονμοριλονίτη (montmorillonite, MMT) αυξάνει την ηλεκτρική
αγωγιμότητα των δοκιμίων, σε σύγκριση με τα μίγματα πολυπροπυλένιου/πολυπυρρόλης [2, 3]. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα,
τόσο των καθαρών μιγμάτων, όσο και των σύνθετων υλικών, εξαρτάται άμεσα από την μέθοδο παρασκευής των δοκιμίων,
που έχει ως αποτέλεσμα διαφορετική μορφολογία των υπό μελέτη συστημάτων. Η δομή των υλικών επηρεάζεται επίσης σε
μεγάλο βαθμό από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της πολυμερικής μήτρας και των εγκλεισμάτων.
Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν οι ηλεκτρικές ιδιότητες σύνθετων υλικών, που αποτελούνται από αγώγιμα εγκλείσματα
πολυπυρρόλης (PPy) διασκορπισμένα στο εσωτερικό της ημικρυσταλλικής μήτρας του πολυπροπυλενίου (PP).
Φυλλόμορφος πηλός (μονμοριλονίτης, montmorillonite, ΜΜΤ) με μία από τις διαστάσεις του της τάξης των μερικών nm,
χρησιμοποιήθηκε ως έγκλεισμα στα νανοσύνθετα συστήματα PP/PPy/MMT. Η μελέτη του μηχανισμού αγωγιμότητας και
των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των δοκιμίων έγιναν με βάση τη θεωρία διαφυγής (percolation theory). Όλα τα αποτελέσματα
συσχετίστηκαν με τη δομή και την μορφολογία των δοκιμίων.
Για την παρασκευή των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε ισοτακτικό πολυπροπυλένιο (polypropylene, PP Tatren FF 500,
Slovnaft, Slovakia) και φυλλόμορφος πηλός (montmorillonite, MMT BJ-10, Envigeo, Slovakia). Όλα τα δοκίμια
παρασκευάστηκαν με την μέθοδο του χημικού οξειδωτικού πολυμερισμού (chemical oxidative polymerization) της πυρρόλης
στο αιώρημα του πολυπροπυλενίου (PP) ή του μίγματος πολυπροπυλενίου/μονμοριλονίτη (PP/MMT). Ο κ.β. λόγος PP:MMT
ήταν ίσος με 20:1. Τα νανοσύνθετα δοκίμια περιείχαν 4.8–16.7 % κ.β. PPy. Για σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων
παρασκευάστηκαν και σύνθετα υλικά PP/PPy που περιείχαν το ίδιο ποσοστό PPy.
Τόσο τα σύνθετα, όσο και τα νανοσύνθετα δοκίμια παρασκευάστηκαν με δύο διαφορετικούς τρόπους: (i) μορφοποίηση σε
θερμοπρέσα στους 180 o C για 2 min (κωδικός CL) και (ii) ανάμειξη των συστατικών (στους 190 o C υπό 75 rpm για χρόνο 10
min) ακολουθούμενη από μορφοποίηση σε θερμοπρέσα (κωδικός CB).
Οι ηλεκτρικές και διηλεκτρικές μετρήσεις εναλλασσομένου ηλεκτρικού πεδίου πραγματοποιήθηκαν με τον Αναλυτή
Alpha Dielectric/Impedance Analyzer της Novocontrol (10 -2 – 10 7 Hz), σε συνδυασμό με το σύστημα ελέγχου της
θερμοκρασίας Novocontrol Quatro Cryosystem (123–
303 K).
Αποτελέσματα δομικού χαρακτηρισμού [2, 3] έδειξαν
ότι η τελική μορφολογία των υπό μελέτη υλικών
εξαρτάται από την μέθοδο παρασκευής και
επεξεργασίας των δοκιμίων. Τα δοκίμια που έχουν
παρασκευαστεί με μορφοποίηση σε θερμοπρέσα
(κωδικός CL) εμφανίζουν συσσωμματώματα
πολυπυρρόλης και πολυπυρρόλης/μονμοριλονίτη στα
σύνθετα και νανοσύνθετα συστήματα, αντίστοιχα. Αυτά
τα συσσωμματώματα έχουν ανομοιογενή κατανομή στο
εσωτερικό της μήτρας του πολυπροπυλένιου.
Αντίθετα, τα δοκίμια που έχουν παρασκευαστεί
αρχικά με ανάμειξη των συστατικών και μετά με
μορφοποίηση σε θερμοπρέσα (κωδικός CB), εμφανίζουν
τελείως διαφορετική μορφολογία. Στα σύνθετα υλικά η
φάση της πολυπυρρόλης βρίσκεται, με την μορφή
μικρών νησίδων, ομοιογενώς κατανεμημένη στην μήτρα
του πολυπροπυλένιου. Στα νανοσύνθετα υλικά η
ανάμειξη των συστατικών προκαλεί διάσπαση των
συσσωμματώματων πολυπυρρόλης/μονμοριλονίτη σε
μικρότερα τμήματα και έχει ως τελικό αποτέλεσμα την
πιο ομοιογενή κατανομή των στρωμάτων μονμοριλονίτη
στο εσωτερικό της μήτρας του πολυπροπυλένιου.
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται σχηματικά η μορφολογία
των υπό μελέτη συστημάτων και για τους δύο
διαφορετικούς τρόπους παρασκευής [4]. Είναι εμφανής
η διαφορετική μορφολογία μεταξύ των σύνθετων και
των νανοσύνθετων υλικών που έχουν παρασκευαστεί με διαφορετικό τρόπο.
Σχήμα 1. Σχηματική αναπαράσταση της μορφολογίας των
σύνθετων και νανοσύνθετων συστημάτων που
μελετήθηκαν.
171