avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2024-8-3-128-134RNKNWYavroen-75Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВMATERIAL SCIENCE AND PROCESSING TECHNOLOGYРазработка электропроводного полимерного композита на основе линейного полиэтилена низкой плотности, модифицированного высокоструктурным техническим углеродомDevelopment of an electrically conductive polymer composite based on linear lowdensity polyethylene modified with high-structural carbon blackhttps://orcid.org/0000-0003-2622-7492РогачевЕ. А.RogachevE. A.

Рогачев Евгений Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Физика» 

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ): 670217,

AuthorID (SCOPUS): 56503848300,

ResearcherID: AAS-1459-2020

Rogachev Evgeniy Anatolyevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Physics Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI): 670217,

AuthorID (SCOPUS): 56503848300,

ResearcherID: AAS-1459-2020

evg.rogachev@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6221-2135КаленчукА. А.KalenchukA. A.

Каленчук Анастасия Александровна, ассистент кафедры «Физика» 

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ):1174971,

ResearcherID: AEL4759-2022

Kalenchuk Anastasiya Aleksandrovna, Assistant of Physics Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI):1174971,

ResearcherID: AEL4759-2022 

sia.k98@mail.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation20243009202483128134Copyright © Рогачев Е.А., Каленчук А.А., 20242024Рогачев Е.А., Каленчук А.А.Rogachev E.A., Kalenchuk A.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/75

Экспериментально исследованы разработанные полимерные композиты на основе линейного полиэтилена низкой плотности, модифицированного техническим углеродом марки OMCARB CH85. Комплексный анализ свойств композитов показал, что применение данного вида наполнителя обеспечивает перколяционный переход при 25 % массовых долей наполнителя, в результате которого удельное сопротивление уменьшается на восемь порядков. Для образцов с меньшей концентрацией характерны значения электросопротивления, соответствующие диэлектрикам. При достижении концентрации наполнителя, равной 20 % масс., наблюдается максимальная жесткость материала, а характер растяжения меняется с пластичного на хрупкий. Электронная микроскопия образцов указывает на сетчатую микроструктуру полимерной матрицы, в которую встраиваются частицы технического углерода и действуют как центры кристаллизации. В результате чего происходит усиление механических свойств и электропроводности композита.

The developed polymer composites based on low-density linear polyethylene modified with OMCARB CH85 technical carbon have been experimentally investigated. A comprehensive analysis of the composites' properties has demonstrated that the use of this filler type results in a percolation transition at a 25 % mass fraction of filler, leading to an decrease in resistivity. Samples with lower concentrations exhibit electrical resistance values corresponding to those of semiconductors. When the filler concentration reaches 20 %, the maximum material stiffness is observed, and the character of stretching transitions from ductile to brittle. Electron microscopic examination of the samples reveals a mesh microstructure of the polymer matrix with embedded carbon black particles acting as crystallization nuclei. As a result, the mechanical properties and electrical conductivity of the composite are enhanced.

электропроводный технический углеродлинейный полиэтилен низкой плотностиэлектропроводные полимерные композитыструктура полимерных композитовмеханические свойства полимерных композитовизготовление полимерных композитовэлектронная микроскопия полимеровelectrically conductive carbon blacklinear low-density polyethylenepolymer compositespolymers composites structurethe mechanical properties of polymer compositesthe manufacture of polymer compositeselectron microscopy of polymersРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект № FSGF-2024-0003ReferencesHuang X., Sun B., Yu C. [et al.]. Highly conductive polymer nanocomposites for emerging high voltage power cable shields: experiment, simulation and applications // High Voltage. 2020. Vol. 5. P. 387–396. DOI: 10.1049/hve.2020.0101.Huang X., Sun B., Yu C. [et al.]. Highly conductive polymer nanocomposites for emerging high voltage power cable shields: experiment, simulation and applications // High Voltage. 2020. Vol. 5. P. 387–396. DOI: 10.1049/hve.2020.0101. (In Engl.).Chen X., Zheng Y., Han X. [et al.]. Low-dimensional Thermoelectric Materials. // Flexible Thermoelectric Polymers and Systems. 2022. P. 210. DOI: 10.1002/9781119550723.ch7.Chen X., Zheng Y., Han X. [et al.]. Low-dimensional Thermoelectric Materials. // Flexible Thermoelectric Polymers and Systems. 2022. P. 210. DOI: 10.1002/9781119550723.ch7. (In Engl.).Hoefer M., Bandaru P. R. Determination and enhancement of the capacitance contributions in carbon nanotube based electrode systems // Applied Physics Letters. Vol. 95 (18). DOI: 10.1063/1.3258353.Hoefer M., Bandaru P. R. Determination and enhancement of the capacitance contributions in carbon nanotube based electrode systems // Applied Physics Letters. Vol. 95 (18). DOI: 10.1063/1.3258353. (In Engl.).Golovakhin V., Litvinova V. I., Manakhov A. [et al.] Conductive polymer-multi-walled carbon nanotube composites for gas sensors and supercapacitors // Materials Today Communications. 2024. Vol. 39. 109163. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.109163.Golovakhin V., Litvinova V. I., Manakhov A. [et al.] Conductive polymer-multi-walled carbon nanotube composites for gas sensors and supercapacitors // Materials Today Communications. 2024. Vol. 39. 109163. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.109163. (In Engl.).Рагушина М. Д., Евсеева К. А., Калугина Е. В., Ушакова О. Б. Полимерные композиционные материалы с антистатическими и электропроводящими свойствами // Пластические массы. 2021. № 3–4. С. 6–9. DOI: 10.35164/0554-2901-2021-3-4-6-9. EDN: QFMBRB.Ragushina M. D., Evseyeva K. A., Kalugina E. V., Ushakova O. B. Polimernyye kompozitsionnyye materialy s antistaticheskimi i elektroprovodyashchimi svoystvami [Polymer composite materials with electrically conductive and antistatic properties] // Plasticheskiye massy. Plasticheskie Massy. 2021. No. 3–4. DOI: 10.35164/0554-2901-2021-3-4-6-9. EDN: QFMBRB. (In Russ.).Цобкалло Е. С., Москалюк О. А., Степашкина А. С. Функциональные композиционные полимерные материалы электротехнического назначения // Известия СанктПетербургского государственного технологического института (Технического университета). 2020. № 52. С. 28–35. DOI: 10.36807/1998-9849-2020-52-78-28-35. EDN: ZRBXWB.Tsobkallo E. S., Moskalyuk O. A., Stepashkina A. S. Funktsional’nyye kompozitsionnyye polimernyye materialy elektrotekhnicheskogo naznacheniya [Functional composite polymer materials for electrical purposes] // Izvestiya SanktPeterburgskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo instituta (tekhnicheskogo universiteta). Bulletin of the Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University). 2020. No. 52. P. 28–35. DOI: 10.36807/1998-9849-2020-52-78-28-35. EDN: ZRBXWB. (In Russ.).Наумова Л. Н., Ватаман В. Ю., Сущенко Н. А. [и др.] Разработка компонентного состава порошковой краски с антистатическими свойствами на основе полиэфирной смолы // Вестник Сыктывкарского университета. Серия 2. Биология. Геология. Химия. Экология. 2023. № 2 (26). С. 54–69. DOI: 10.34130/2306-6229-2023-2-54. EDN: EDLTQL.Naumova L. N., Vataman V. Yu., Sushchenko N. A. [et al.] Razrabotka komponentnogo sostava poroshkovoy kraski s antistaticheskimi svoystvami na osnove poliefirnoy smoly [Development of the component composition of powder paint with antistatic properties based on polyester resin] // Vestnik Syktyvkarskogo universiteta. Seriya 2. Biologiya. Geologiya. Khimiya. Ekologiya. Syktyvkar University Bulletin. Series 2. Biology, Geology, Chemistry, Ecology. 2023. No. 2 (26). P. 54–69. DOI: 10.34130/2306-6229-2023-2-54. EDN: EDLTQL. (In Russ.).Мякин С. В., Чекуряев А. Г., Голубева А. И. [и др.]. Электрические свойства полимерных композитов на основе титаната бария, модифицированного графеном // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2019. № 49 (75). С. 65–68. EDN: ILTQBG.Myakin S. V., Chekuryayev A. G., Golubeva A. I. [et al.]. Elektricheskiye svoystva polimernykh kompozitov na osnove titanata bariya, modifitsirovannogo grafenom [Electrical properties of polymer composites based on barium titanate modified by graphene] // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo instituta (tekhnicheskogo universiteta). Bulletin of the Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University). 2019. No. 49 (75). P. 65–68. EDN: ILTQBG. (In Russ.).Badrul F., Abdul H., Mohd S. [et al.] Preliminary investigation on the correlation between mechanical properties and conductivity of low-density polyethylene/carbon black (LDPE/CB) conductive polymer composite (CPC) // Journal of Physics Conference Series. 2022. Vol. 2169 (1). 012020. DOI: 10.1088/1742-6596/2169/1/012020.Badrul F., Abdul H., Mohd S. [et. al.] Preliminary investigation on the correlation between mechanical properties and conductivity of low-density polyethylene/carbon black (LDPE/CB) conductive polymer composite (CPC) // Journal of Physics Conference Series. 2022. Vol. 2169 (1). 012020. DOI: 10.1088/1742-6596/2169/1/012020. (In Engl.).Azizi S., David E., Fréchette M. F. [et al.]. Electrical and thermal phenomena in low-density polyethylene/carbon black composites near the percolation threshold // Journal of Applied Polymer Science. 2019. Vol. 136. DOI: 10.1002/app.47043.Azizi S., David E., Fréchette M. F. [et al.]. Electrical and thermal phenomena in low-density polyethylene/carbon black composites near the percolation threshold // Journal of Applied Polymer Science. 2019. Vol. 136. DOI: 10.1002/app.47043. (In Engl.).Ou X., Ye G., Jiang J. [et al.]. Improving electrical and mechanical properties of cement composites by combined addition of carbon black and carbon nanotubes and steel fibers // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 438. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.136931.Ou X., Ye G., Jiang J. [et al.]. Improving electrical and mechanical properties of cement composites by combined addition of carbon black and carbon nanotubes and steel fibers // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 438. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.136931. (In Engl.).Моисеевская Г. В., Раздьяконова Г. И., Петин А. А. [и др.] Инновационные направления расширения ассортимента технического углерода в России // Химия в интересах устойчивого развития. 2017. Т. 25, № 1. С. 49–56. DOI: 10.15372/KhUR20170107. EDN: XWRWIH.Moiseyevskaya G. V., Razd’yakonova G. I., Petin A. A. [et. al.] Innovatsionnyye napravleniya rasshireniya assortimenta tekhnicheskogo ugleroda v Rossii [Innovative trends in expanding carbon black types in Russia] // Khimiya v interesakh ustoychivogo razvitiya. Chemistry for Sustainable Development. 2017. Vol. 25, no. 1. P. 49–56. DOI: 10.15372/KhUR20170107. EDN: XWRWIH. (In Russ.).Шадринов Н. В., Антоев К. П. Электропроводящая резина с эффектом положительного температурного коэффициента сопротивления из шинного регенерата // Перспективные материалы. 2021. № 3. С. 21–29. DOI: 10.30791/1028-978X-2021-3-21-29. EDN: XBTTUT.Shadrinov N. V., Antoyev K. P. Elektroprovodyashchaya rezina s effektom polozhitel’nogo temperaturnogo koeffitsiyenta soprotivleniya iz shinnogo regenerata [Conductive rubber with the effect of positive temperature resistance from the tire regenerate] // Perspektivnyye materialy. Perspektivnye Materialy. 2021. No. 3. P. 21–29. DOI: 10.30791/1028-978X-2021-3-21-29. EDN: XBTTUT. (In Russ.).Моисеевская Г. В., Раздьяконова Г. И., Караваев М. Ю. [и др.] Исследование электропроводного технического углерода серии «OMCARB». Часть 1. Физико-химические свойства. Оценка качества диспергирования в натуральном каучуке // Каучук и резина. 2014. № 1. С. 40–42. EDN: SAXJBN.Moiseyevskaya G. V., Razd’yakonova G. I., Karavayev M. Yu. [et al.] Issledovaniye elektroprovodnogo tekhnicheskogo ugleroda serii «OMCARB». Chast’ 1. Fizikokhimicheskiye svoystva. Otsenka kachestva dispergirovaniya v natural’nom kauchuke [The study of conductive carbon black series «OMCARB». Part 1. Physico-chemical properties. Evaluation of the quality of dispersion in natural rubber] // Kauchuk i rezina. Kauchuk i Rezina. 2014. No. 1. P. 40–42. (In Russ.).Ухарцева И. Ю., Цветкова Е. А., Гольдаде В. А. Полимерные упаковочные материалы для пищевой промышленности: классификация, функции и требования (обзор) // Пластические массы. 2019. № 9–10. С. 56–64. DOI: 10.35164/0554-2901-2019-9-10-56-64. EDN: VWKDVH.Ukhartseva I. Yu., Tsvetkova E. A., Gol’dade V. A. Polimernyye upakovochnyye materialy dlya pishchevoy promyshlennosti: klassifikatsiya, funktsii i trebovaniya (obzor) [Рolymer packaging materials for foodstuffs: classification, functions and requirements] // Plasticheskiye massy. Plasticheskie Massy. 2019. No. 9–10. P. 56–64. DOI: 10.35164/0554-2901-2019-9-10-56-64. EDN: VWKDVH. (In Russ.).Brito S. da C., Pereira V. A. C., Prado A. C. F. [et al.] Antimicrobial potential of linear low-density polyethylene food packaging with Ag nanoparticles in different carriers (Silica and Hydroxyapatite) // Journal of Microbiological Methods. 2024. Vol. 217–218. DOI: 10.1016/j.mimet.2023.106873.Brito S. da C., Pereira V. A. C., Prado A. C. F. [et al.] Antimicrobial potential of linear low-density polyethylene food packaging with Ag nanoparticles in different carriers (Silica and Hydroxyapatite) // Journal of Microbiological Methods. 2024. Vol. 217–218. DOI: 10.1016/j.mimet.2023.106873. (In Engl.).Pang H., Xu L., Yan D.-X. [et al.] Conductive polymer composites with segregated structures // Progress in Polymer Science. 2014. Vol. 39 (11). P. 1908–1933. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2014.07.007.Pang H., Xu L., Yan D.-X. [et al.] Conductive polymer composites with segregated structures // Progress in Polymer Science. 2014. Vol. 39 (11). P. 1908–1933. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2014.07.007. (In Engl.).Машков Ю. К. [и др.] Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация: моногр. Москва: Машиностроение. 2005. 240 с. ISBN 5-217- 03288-X.Mashkov Yu. K. [et al.] Kompozitsionnyye materialy na osnove politetraftoretilena. Strukturnaya modifikatsiya [Composite materials based on polytetrafluoroethylene. Structural modification]. Moscow, 2005. 240 p. ISBN 5-217-03288-X. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.