Electrical, Morphological and Rheological Properties of Carbon Black Filled Polymer Blends

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-11-13
Issue Year
2017
Authors
Pan, Yamin
Editor
Abstract

The work presented in this thesis focuses on the electrical, morphological and rheological behavior of CB-filled immiscible PS/PMMA blends. The main results are summarized as below: (a) The morphology and electrical conductivity of PS/PMMA/CB composites were investigated under thermal influences, before and after annealing. TEM images confirm that the CB is preferentially located in the PS phase. In the case of the PS/PMMA (30/70) blends, the addition of CB particles promotes the morphological change from a typical sea-island morphology to a co-continuous morphology and therefore shows the lowest electrical percolation threshold of 1.3 vol.% CB. A simple model had been suggested to explain the effect. After annealing treatment, the electrical conductivity increases and a lower percolation threshold (below 1 vol.% CB) can be observed. (b) Conductivity and phase morphology of PS/PMMA/CB composites under creep were investigated experimentally and theoretically. It was found that, under a shear stress of 10 kPa, the conductivity of PS/PMMA (50/50) blends with 2 vol.% CB decreases about two orders of magnitude and the phase morphology changes into a highly elongated lamellar structure. The results have been compared to the previous work from Krückel and Liu who investigated the rheological and electrical properties of PMMA/CB composites. Different models were proposed to explain the electrical behavior during and after shear for this system. However, compared to the single polymer based composites, polymer blend composites show different behavior. Therefore, a simple model for the ternary system was derived and utilized for the description of the conductivity decrease under shear deformation. For the first time, the Burgers model was used to describe the conductivity, and the viscoelastic and viscoplastic parameters were deduced by fitting the conductivity under shear. (c) Reversal behavior of PS/PMMA blends and PS/PMMA/CB composites during creep-recovery were investigated. It was found that, for pure components, the recoverable compliance reaches a plateau after a sufficiently long time. However, for immiscible polymer blends, different reversal behaviors are found. A one-reversal behavior is observed in the blends with co-continuous morphology, while a two-reversal in the blends with sea-island morphology. Moreover, these reversal behaviors become less significant with decreasing temperature, increasing annealing time or incorporation of CB. Three competitive effects can be used to explain the different behaviors: the recovery of the oriented polymer matrix, the interfacial tension that contributes to a return of the deformed phase to the initial state and finally the phase coarsening process.

Abstract

Die hier vorgestellte Arbeit konzentriert sich auf das elektrische, morphologische und rheologische Verhalten von CB-gefüllten inkompatiblen PS/PMMA-Blends. Die wichtigsten Ergebnisse sind wie folgt zusammengefasst: (a) Die Morphologie und die elektrische Leitfähigkeit von PS/PMMA/CB-Verbundwerkstoffen wurden unter thermischen Einflüssen, vor und nach der Temperung, untersucht. TEM-Bilder bestätigen, dass sich das CB bevorzugt in der PS-Phase befindet. Im Falle der PS/PMMA (30/70)-Mischungen förderte die Zugabe von Ruß den morphologischen Wandel von einer typischen „Insel im Meer“-Morphologie zu einer co-kontinuierlichen Morphologie und zeigte daher die niedrigste elektrische Perkolationsschwelle von 1,3 vol.-% CB. Ein einfaches Modell wurde vorgeschlagen, um diesen Effekt zu erklären. Nach der Temperung erhöhte sich die elektrische Leitfähigkeit und eine niedrigere Perkolationsschwelle (unter 1 vol .-% CB) wurde beobachtet. (b) Die Leitfähigkeit und Phasenmorphologie von PS/PMMA/CB-Kompositen unter Kriechdehnung wurden experimentell und theoretisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass unter einer Scherspannung von 10 kPa die Leitfähigkeit von PS/PMMA (50/50) -Mischungen mit 2 vol.-% CB um zwei Größenordnungen sinkt, und die Phasenmorphologie in eine stark gestreckte lamellare Struktur übergeht. Die Ergebnisse wurden mit den bisherigen Arbeiten von Krückel und Liu verglichen, die die rheologischen und elektrischen Eigenschaften von PMMA/CB-Verbundwerkstoffen untersuchten. Es wurden verschiedene Modelle vorgeschlagen, um das elektrische Verhalten während und nach der Scherung zu erklären. Im Vergleich zu den einzelnen polymerbasierten Verbundwerkstoffen zeigen Polymerblends jedoch ein anderes Verhalten. Daher wurde ein einfaches Modell für das ternäre System entwickelt und zur Beschreibung des Leitfähigkeitsreduzierung unter Scherdeformation verwendet. Zum ersten Mal wurde das Burgers-Modell eingesetzt, um die Leitfähigkeit zu beschreiben, und die viskoelastischen und viskoplastischen Parameter wurden aus der Anpassung der Leitfähigkeitskurve unter Scherung abgeleitet. (c) Umkehrphänomene von PS/PMMA-Mischungen und PS/PMMA/CB-Kompositen während des Kriechens und der Kriecherholung wurden untersucht. Es wurde festgestellt, dass für reine Komponenten die Kriech-Erholnachgiebigkeit nach einer ausreichenden Zeit ein Plateau erreicht. Für unmischbare Polymerblends wurde jedoch ein anderes reversibles Verhalten gefunden. Ein „Ein-Umkehr-Verhalten“ wurde in den Mischungen mit einer co-kontinuierlichen Morphologie beobachtet, während ein „zwei-Umkehr-Verhalten“ in den Mischungen mit „Insel im Meer“ Morphologie festgestellt wurde. Darüber hinaus wurde diese Umkehrverhalten mit folgenden Faktoren weniger signifikant: niedrigere Temperatur, höhere Temperierzeit oder Inkorporation der CBs. Drei konkurrierende Effekte können verwendet werden, um die verschiedenen Verhaltensweisen zu erklären: Zunahme von Verhakungen nach Regeneration der Polymermatrix, die Grenzflächenspannung, die zu einer Rückkehr der deformierten Phase in den Ausgangszustand führt und schließlich zu einem Prozeß führt, bei der die Oberfläche rauher wird bzw. eine Phasenvergröberung stattfindet.

DOI
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