1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z metodą pomiaru elektrycznej oporności powierzchniowej i skrośnej materiałów polimerowych o dużym i małym przewodnictwie elektrycznym.

1. Wstęp:

Polimery (gr. polymeres - wieloczęściowy, zbudowany z wielu części) –substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Przez "bardzo dużą masę cząsteczkową" rozumie się zwykle taką sytuację, gdy odjęcie lub przyłączenie jednego meru nie zmienia w zasadniczym stopniu ogólnych własności chemicznych i fizycznych związku chemicznego. Odróżnia to polimery od oligomerów, które mają jeszcze na tyle małą masę cząsteczkową, że dodanie do nich lub odjęcie jednego meru skutkuje zauważalną zmianą np. ich temperatury topnienia.

Większość polimerów charakteryzuje się małym przewodnictwem elektrycznym. Wynika to z faktu, iż zarówno generacja swobodnych nośników ładunku, jak i ich transport są w tych materiałach bardzo mało efektywne. elektrotechnice polimery wykorzystywane są głównie jako materiały elektroizolacyjne. Wykonane z nich przedmioty codziennego użytku wykazują zdolność do gromadzenia na powierzchni ładunku statycznego, utrzymującego się przez długi okres czasu. Właściwość ta jest w wielu przypadkach cechą niepożądaną, dlatego do celów praktycznych często wykorzystuje się tworzywa domieszkowane cząstkami substancji przewodzących. W wyniku domieszkowania otrzymuje się kompozyty polimerowe o zwiększonym przewodnictwie elektrycznym, co umożliwia szybką relaksację ładunku powierzchniowego. W rezultacie tworzywo takie nie posiada zdolności gromadzenia ładunku statycznego. Typowymi przykładami tworzyw charakteryzujących się dużym przewodnictwem elektrycznym są mieszaniny polimerów z sadzą lub grafitem. Innymi znanymi domieszkami są włókna metalowe, proszki metalowe czy powierzchniowo metalizowane proszki mineralne (baryt, mika). Wysokie przewodnictwo kompozytu gwarantuje zastosowanie np. proszkowanej miedzi w postaci dendrytycznej lub płatkowej, pokrytej warstwą srebra (postać dendrytyczna jest bardziej efektywna, ale wrażliwa na ścieranie i wymaga specjalnych procedur podczas przetwórstwa). Coraz częściej wykorzystuje się również związki organiczne takie jak proszkowe półprzewodniki polimerowe (np. poliacetylen, polipirol) i nanorurki węglowe.

Polimery przewodzące - polimery zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego.

Ze względu na mechanizm przewodzenia istnieją trzy rodzaje polimerów przewodzących:

• przewodzące "po głównym łańcuchu" - przewodzenie odbywa się w nich podobnie jak w metalach, dzięki istnieniu pasm przewodnictwa powstających w wyniku delokalizacji elektronów w wiązaniach chemicznych; polimery tego rodzaju zawierają zwykle układy sprzężonych wiązań wielokrotnych; nazywane są polimerami skoniugowanymi lub polimerami metalicznymi; niektóre tego rodzaju polimery nie zawierają jednak wiązań wielokrotnych lecz ich przewodnictwo wynika z nakładania się pustych orbitali d wzdłuż głównego łańcucha

• przewodzące poprzez mechanizm kompleksowania z przeniesieniem ładunku; polimery tego rodzaju zawierają grupy boczne o strukturze kompleksów zdolnych do przenoszenia ładunku, takich jak TCNQ lub TTF

• przewodzące jonowo zwane polielektrolitami, w których jony są transportowane przez kanały występujące między łańcuchami polimerów.

Te trzy rodzaje mechanizmu przewodzenia polimerów są często z sobą mieszane w jednym materiale aby zwielokrotnić ich efekt. Np: polimery przewodzące "po głównym łańcuchu" są często modyfikowane kompleksami z przeniesieniem ładunku.

Wybrane polimery przewodzące
Nazwa polimeru
Poliacetylen
Polipirol
Politiofen
Polianilina
Poli (p-fenylen)

Oporność elektryczna skrośna – stosunek napięcia doprowadzanego do przeciwległych powierzchni próbki nadanego polimeru do natężenia prądu przepływającego na wskroś badanej próbki, w odniesieniu do 1 cm² powierzchni elektrod oraz 1 cm odległo.ści między elektrodami.

Oporność skrośną obliczam ze wzoru:

$$\rho_{v} = \frac{A}{h}R_{v}$$

$$A = \frac{\pi{(d_{1} + g)}^{2}}{4} = 2,123 \bullet 10^{- 3}\ m^{2}$$

gdzie:

d₁ = 50 mm – średnica elektrody pomiarowej

g = 2 mm – szerokość szczeliny powierzchniowej miedzy elektrodą pomiarową a elektrodą ochronną

A = 2,123 ·10^-3 m² - współczynnik przeliczeniowy, stała elektrod

R_v – zmierzona rezystancja skrośna

h – grubość próbki bez obciążenia wynosi 1 mm, z obciążeniem wynosi 0,5 mm

Oporność elektryczna powierzchniowa – stosunek napięcia prądu stałego doprowadzonego do elektrod przylegających do jednej powierzchni próbki badanego polimeru do natężenia prądu płynącego między elektrodami, w odniesieniu do 1 cm² powierzchni elektrod oraz 1 cm odległości między nimi.

Rezystywność powierzchniową obliczam ze wzoru:

$$\rho_{s} = \frac{B}{g}R_{s}$$

B = π(d₁ + g)=163 • 10⁻³ m

gdzie:

d₁ = 50 mm – średnica elektrody pomiarowej

g = 2 mm – szerokość szczeliny powierzchniowej miedzy elektrodą pomiarową a elektrodą ochronną

B = 163 ·10^-3 m - współczynnik przeliczeniowy, stała elektrod

R_s – zmierzona gigaomomierzem rezystancja powierzchniowa

1. Pomiary

Próbka	Dodatek	Rs [Ω]	Rv [Ω]	ρs [Ω·m]	ρv [Ω·m]
		Bez obciążenia
EPDM	Sadza	50 x10^12	5 x10^12	40,75 x10^14	10,62 x10^12
NR	Bi2O3 + ZnO	10 x10^12	3 x10^12	8,15 x10^14	6,37 x10^12
NBR	Aerosil 380	15 x10^12	12 x10^12	12,23 x10^14	25,48 x10^12
SBR	Kauczuk butadienowo – styrenowy	14 x10^12	16 x10^12	11,41 x10^14	33,97 x10^12
XNBR	Napełniacz mineralny – warstwowy	2,2 x10^12	2 x10^12	1,793 x10^14	4,25 x10^12
NR	Bi2O3	3 x10^12	4 x10^12	2,445 x10^14	8,49 x10^12

Próbka	Dodatek	Rs [Ω]	Rv [Ω]	ρs [Ω·m]	ρv [Ω·m]
		Z obciążeniem
EPDM	Sadza	7 x10^12	5 x10^12	5,71 x10^14	10,62 x10^12
NR	Bi2O3 + ZnO	1,5 x10^12	1,4 x10^12	1,22 x10^14	2,97 x10^12
NBR	Aerosil 380	-	-	-	-
SBR	Kauczuk butadienowo – styrenowy	-	-	-	-
XNBR	Napełniacz mineralny – warstwowy	0,09 x10^12	0,4 x10^12	7,34 x10^12	0,85 x10^12
NR	Bi2O3	-	-

Masa obciążnika 3108g.

Rs – Oporność elektryczna powierzchniowa

Rv – Oporność elektryczna skrośna

EPDM – kauczuk etylen - propylen - dien

NR – kauczuk naturalny

NBR – kauczuk butadienowo - akrylonitrylowy

XNBR – karboksylowany kauczuk butadienowo - akrylonitrylowy

SBR – Kauczuk butadienowo-styrenowy

Wnioski:

Na podstawie dokonanych pomiarów możemy stwierdzić, że w każdym badanym przypadku rezystancja powierzchniowa, a rezystywność powierzchniowa znacznie maleją po przyłożeniu obciążenia.

Wartość rezystancji skrośnej, a także rezystywności skrośnej zmniejszała się nieznacznie wraz ze wzrostem obciążenia.

Największą rezystancją oraz rezystywnością powierzchniową charakteryzuje się EPDM z dodatkiem sadzy, natomiast najmniejszą XNBR z napełniaczem mineralnym – warstwowym.

XNBR to polimer, który charakteryzuje się najmniejsza rezystancją oraz rezystywnością skrośną, zaś największą SBR.