A study of the electrical properties of carbon nanofiber polymer composites

Tese de doutoramento em FísicaThe interest of industry on using carbon nanofibers (CNF) as a possible alternative to carbon nanotubes (CNT) to produce polymer based composites is due to their lower price, the ability to be produced in large amounts and the their usefulness as a reinforcement filler in order to improve the matrix properties such as mechanical, thermal and electrical. Polymers like epoxy resins already have good-to-excellent properties and an extensive range of applications, but the reinforcement with fillers like CNF, which has high aspect ratio (AR) and surface energy, has the potential to extend the range of applications. The Van der Waals interactions between nanofillers, such as CNF, promote the clustering effect which affects their dispersion in the polymer and may interfere with some properties of the nanocomposites. In this sense, it is very important to use appropriate dispersion methods which are able to disentangle the nanofillers to a certain degree, but avoiding the reduction of the nanofibers AR as much as possible. In fact, the methods and conditions of nanocomposites processing have also influence on the filler orientation, dispersion, distribution and aspect ratio. To the present day, there is a lack of complete information in the literature about the relation between structure and properties, in particular electrical properties, for polymer nanocomposites. The main objective of this work is to study the electrical properties of composites based on CNF and epoxy resin using production methods which can be easily implemented in industrial environments and that provide different dispersion levels, investigating therefore the relationship between dispersion level and electrical response. Some of the requirements for such methods are the adaptability to the industrial processes and facilities which allow large scale productions and provide a good relation between quality and cost of the composite materials. In this work, morphological, electrical and electromechanical studies were performed in epoxy resin composites with vapor-grown carbon nanofibers (VGCNF). First, the electrical properties of VGCNF/epoxy resin composites produced with a simple method were studied. Then, it was investigated the relation between the electrical properties and the dispersion level of VGCNF/epoxy composites produced with different methods, which were selected to provide different levels of dispersion.The level of nanofiber dispersion of the composites produced with the different methods and filler contents was analyzed by transmission optical microscopy (TOM) and greyscale analysis (GSA) and then compared to the electrical conductivity measurements. After this study, the influence of different methods of VGCNF dispersion on the electrical conduction mechanism of the composites was investigated. Then, these composites were submitted to electromechanical tests in order to apply them as piezoresistive sensors. The last study of this work was dedicated to an initial comparison between the epoxy composites with VGCNG and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), in terms of electrical and morphological properties. As the main outcomes of the present work, it can be concluded that a better cluster dispersion seems to be more suitable than good filler dispersion for achieving larger electrical conductivities and lower percolation thresholds. It is also concluded that hopping conductivity is a relevant mechanism for determining the overall conductivity of the composites and that the CNF/epoxy composites are appropriate materials for piezoresistive sensors in particular at concentrations close to the percolation threshold.O interesse da indústria em usar as nanofibras de carbono (CNF) como uma possível alternativa aos nanotubos de carbono (CNT) para produzir compósitos em base polimérica deve-se ao seu baixo preço, facilidade de serem produzidos em grandes quantidades e a sua utilidade como cargas de reforço para aperfeiçoaras propriedades mecânicas, térmicas e elétricas da matriz. Polímeros tais como as resinas epóxidas, já possuem propriedades boas ou até mesmo excelentes e têm uma gama elevada de aplicações, mas o seu reforço com cargas como as CNF, que têm valores elevados de razão entre comprimento e diâmetro (AR) e também de energia de superfície, tem o potencial de estender a gama de aplicações. As interacções de Van der Waals entre cargas nanométricas (nanocargas), tais como as CNF, promovem o efeito de aglomeração que afeta a sua dispersão no polímero e poderá interferir com algumas propriedades dos nanocompósitos. Neste sentido, é muito importante usarem-se métodos de dispersão apropriados que sejam capazes de libertar (desemaranhar) as nanocargas até um determinado grau, de forma a evitar a redução do AR tanto quanto possível. De facto, os métodos e condições de processamento dos nanocompósitos também têm influência nas cargas em termos de orientação, dispersão, distribuição e AR. Hoje em dia existe uma falta de informação generalizada na literatura acerca da relação entre a estrutura e as propriedades dos nanocompósitos poliméricos, em particular nas propriedades eléctricas. O objectivo principal deste trabalho é o estudo das propriedades eléctricas dos compósitos baseados em CNF e resina epóxida usando métodos de produção que possam ser facilmente implementados num ambiente industrial e que permitam vários níveis de dispersão, investigando desta forma a relação entre o nível de dispersão e a resposta eléctrica. Alguns dos pressupostos para esses métodos, são a sua adaptabilidade aos processos e instalações industriais que permitam produções em larga escala e proporcionem uma boa relação entre a qualidade e o custo dos materiais compósitos. Neste trabalho, foram desenvolvidos estudos morfológicos, elétricos e eletromecânicos em compósitos de resina epóxida com nanofibras de carbono de crescimento por vaporização (VGCNF). Primeiramente foram estudadas as propriedades elétricas de compósitos de resina epóxida com VGCNF produzidos a partir de um método simples. De seguida, foi investigada a relação entre as propriedades elétricas e o nível de dispersão de VGCNF nos compósitos de resina epóxida, produzidos com diferentes métodos, os quais foram seleccionados de forma a proporcionarem diferentes níveis de dispersão. O nível de dispersão das nanofibras em compósitos produzidos com diferentes métodos e concentrações de cargas foi analisado através da microscopia ótica de transmissão (TOM) e da análise da escala de cinzentos (GSA), sendo posteriormente comparados os resultados com as medições de condutividade elétrica. Depois deste estudo, foi investigada a influência dos diferentes métodos de dispersão nos mecanismos de condução eléctrica dos compósitos. Seguidamente, estes compósitos foram submetidos a testes eletromecânicos de forma a poderem ser aplicados como sensores piezoresistivos. O último estudo deste trabalho foi dedicado a uma comparação inicial entre os compósitos de resina epóxida com VGCNF e os com nanotubos de carbono multi-parede (MWCNT), em termos de propriedades elétricas e morfológicas. Dos principais resultados deste trabalho pode-se concluir que uma melhor dispersão dos aglomerados parece ser mais adequada do que uma boa dispersão das nanocargas para alcançar condutividades eléctricas elevadas e limiares de percolação reduzidos. Também é possível concluir que a condução por efeito de “hopping” é um mecanismo relevante para determinar a condutividade global dos compósitos e que os compósitos de resina epóxida e CNF são materiais apropriados para serem aplicados como sensores piezoresistivos, particularmente para concentrações próximas do limiar de percolaçãoFundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) - SFRH/BD/41191/200