Electrical conductivity and thermal properties of functionalized carbon nanotubes/polyurethane composites

Abstract

Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) functionalized with amine and carboxyl groups were used to prepare polyurethane/ MWCNT nanocomposites in two distinct concentrations: a lower value of 1 mass% (spray coating) and a higher one of ~50 mass% (buckypaper based). The MWCNT-NH 2 sample contained only 0.5 mass% of amine groups, whereas MWCNT-COOH contained 5 mass% of carboxyl groups. The MWCNT functionalized with low amine group content showed improved thermal properties when compared to neat thermoplastic polyurethane (TPU) and MWCNT-COOH based nanocomposites. The electrical conductivity of the polyurethane elastomer was greatly increased from 10 -12 to ~10 -5 S cm -1 in the 1 mass% nanotube composite and to 7 S cm -1 for the MWCNT-NH 2 buckypaper-based nanocomposite. Furthermore, the relative high content of functional groups in the MWCNT-COOH sample, which disrupt the sp 2 structure in the nanotube walls, led to inferior properties; for instance the conductivity of the buckypaper based composite is one order of magnitude lower when using MWCNT-COOH in comparison with the MWCNT-NH 2 . These results show the range of property design possibilities available with the elastomeric polyurethane nanocomposite by tailoring the functional group content and the carbon nanotube load.

Otimização do processo de dispersão de nanotubos de carbono em poliuretano termorrígido

“…Os nanocompósitos obtidos neste trabalho foram estudados por espectroscopia de impedância eletroquímica e a condutividade elétrica foi obtida com o emprego da Equação 1 [27,39] .…”

“…Em um trabalho anterior do grupo foram obtidos valores próximos a 10 -5 S/cm para a condutividade de um sistema baseado em poliuretano termoplástico (TPU) com 1% em massa de nanotubos modificados [39] , mas neste caso o TPU de partida era altamente isolante, apresentando condutividade de 10 -12 S/cm. Valores de condutividade da ordem obtida no presente trabalho permitem que o compósito possa ser empregado em aplicações nas quais a dissipação eletrostática seja um requisito [43] .…”

“…Valores de condutividade da ordem obtida no presente trabalho permitem que o compósito possa ser empregado em aplicações nas quais a dissipação eletrostática seja um requisito [43] . Para atingir condutividades que permitam uso em blindagem eletromagnética deve-se adicionar maior quantidade de nanotubos de carbono, mas será necessário também modificação de estratégia de processamento para produzir dispersões adequadas à percolação elétrica [39,43] .…”

Carbon nanotube buckypaper reinforced polymer composites: a review

“…Firstly, a small amount of CNTs is ultrasonically dispersed in a solvent with the assistance of a surfactant. The most common solvents used to prepare BPs with good quality are N-Methylpyrrolidone (NMP) and N,N-dimethylformamide (DMF) [59] . However, using an appropriate surfactant in water can be cheaper than using DMF and NMP, which also exhibit the disadvantage of high boiling points.…”

“…The incorporation of buckypapers into polymer matrices offers an attractive route to minimize aforementioned issues. As studied by several researches the electrical conductivity of BPs prepared by vacuum filtration process is in the range of 50-6000 S/m [58,59,75,83] . In a recent work Han et al [83] measured electrical conductivity of BP/epoxy composites as high as 2000 S/m.…”