Use of tailored blend morphologies to obtain electrically conductive composites

Strugova, Daria (2023). Use of tailored blend morphologies to obtain electrically conductive composites. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis aimed at designing electrically conductive polymer-based nanocomposites with an exceptionally low percolation threshold concentration through control of their morphology, and to evaluate how this morphology, hence the electrical properties, would be stable during post-processing. The relationships between morphological, electrical, and rheological properties of polypropylene/polystyrene filled with multiwall carbon nanotubes (PP/PS/MWCNT) composites prepared by conventional melt-mixing process were investigated.

Composites with a percolation threshold concentration (PTC) of 0.3 wt.% MWCNT were obtained owing to the double percolation effect achieved by using co-continuous morphology of PP/PS matrix. The PTC was further decreased to 0.06 wt.% MWCNT upon using a thermal treatment based on the volume exclusion effect of PP crystals. An electrical conductivity of 10-5 S.m-1 was reached, for composites with 0.06 wt.% MWCNT, representing an increase of over 10 orders of magnitude compared to that of the PP/PS matrix alone. The co-continuous morphology of the PP/PS blend was not affected by the thermal treatment, indicating that other properties of the composite were not impacted.

Furthermore, a model to characterize the co-continuous morphology of PP/PS/MWCNT composites using their rheological characterization was developed. The quantification of the morphology carried on by the model corroborated the one observed by scanning electron microscopy. The model was used to assess the morphology of composites subjected to thermal annealing, employed to enhance the electrical properties. The model was also used to probe the morphology evolution of PP/PS/MWCNT composites. The results showed a slight decrease in the characteristic domain size for composites with different MWCNT concentration, leading to a more refined co-continuous morphology, in line with the measured electrical properties. Specifically, the PTC was reduced from 0.28 wt.% to 0.06 wt.% MWCNT.

Finally, the electrical and morphological properties of co-continuous PP/PS/MWCNT composites under deformation flow were evaluated. A delicate balance between MWCNT concentration, shear strain, and shear rates (the parameters of the deformation flow), which affected the morphology and electrical properties of the composites, was observed. The stabilization of morphology and electrical conductivity was achieved at critical levels of MWCNT concentration, and recovery was possible. The PTC and electrical conductivity were reduced during deformation but recovered after recovery step, even increasing by one order of magnitude.

Titre traduit

Utilisation de morphologies de mélange sur mesure pour obtenir des composites électriquement conducteurs

Résumé traduit

Cette thèse visait à concevoir des nanocomposites à base de polymères électriquement conducteurs avec une concentration seuil de percolation exceptionnellement basse grâce au contrôle de leur morphologie, et à évaluer comment cette morphologie, donc les propriétés électriques, seraient stables lors du post-traitement. Pour ce faire, les relations entre les propriétés morphologiques, électriques et rhéologiques du mélange polypropylène/polystyrène auquel des nanotubes de carbone multiparois (PP/PS/MWCNT) furent ajoutés, préparés par un procédé conventionnel de mélange à l'état fondu ont été étudiées.

Des composites avec une concentration seuil de percolation (PTC) de 0,3 % en poids de MWCNT ont été obtenus en raison de l'effet de double percolation obtenu en utilisant la morphologie co-continue de la matrice PP/PS. Le PTC a encore été réduit à 0, 06% en poids de MWCNT lors de l'utilisation d'un traitement thermique basé sur l'effet d'exclusion de volume des cristaux de PP. Une conductivité électrique de 10-5 S.m-1 a alors été atteinte. Ceci représente une augmentation de la conductivité électrique de plus de10 ordres de grandeur si on compare à celle du mélange sans MWCNT. De plus, ce traitement thermique n’a pas affecté la morphologie co-continue du mélange PP/PS et donc ces propriétés furent conservées.

Un modèle pour caractériser la morphologie co-continue des composites PP/PS/MWCNT en utilisant leur caractérisation rhéologique a été développé. La quantification de la morphologie effectuée par le modèle corrobore celle observée par microscopie électronique à balayage. Ce modèle a été utilisé pour évaluer la morphologie des composites soumis à un recuit thermique, utilisé pour améliorer les propriétés électriques. Le modèle a également été utilisé pour sonder l'évolution de la morphologie des composites PP/PS/MWCNT. Les résultats ont montré une légère diminution de la taille du domaine caractéristique pour les composites avec différentes concentrations de MWCNT, conduisant à une morphologie co-continue plus fine, en ligne avec les propriétés électriques mesurées. Plus précisément, le PTC a été réduit de 0,28 % en poids à 0,06 % en poids de MWCNT.

Enfin, les propriétés électriques et morphologiques des composites co-continus PP/PS/MWCNT soumis à des déformations contrôlées ont été évaluées. Un équilibre délicat entre la concentration de MWCNT, la déformation de cisaillement et les taux de cisaillement (les paramètres d’écoulement), qui a affecté la morphologie et les propriétés électriques des composites, a été observé. La stabilisation de la morphologie et de la conductivité électrique ont été obtenus à des niveaux critiques de concentration de MWCNT.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 139-151).
Mots-clés libres:	concentration seuil de percolation électrique, effet de double percolation, conductivité électrique, composites thermoplastiques, mélange de polymères, morphologie co-continue
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demarquette, Nicole R.
Codirecteur:	Codirecteur David, Éric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	07 sept. 2023 17:29
Dernière modification:	07 sept. 2023 17:29
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3265

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