Mejora Eléctrica Sinérgica en Compuestos Epóxicos con Nanotubos Carbono y Nanoestructuras Grafito

Resumen

Investigamos cómo conductividad eléctrica en compuestos base epóxido evoluciona con concentraciones variables de nanoestructuras grafito (GNPs), nanotubos carbono multi-pared (MWCNTs) y su combinación híbrida. Relleno híbrido se añadió 0,24 % vol mientras carga MWCNT varió 0,03 a 4 % vol. Previo a mezcla, GNPs sometieron 20 min tratamiento UV-ozono mejorar actividad superficial. En sistema resina baja viscosidad, aparecieron dos umbrales percolación distintos: transición primaria 0,13 % vol compuestos solo MWCNT y transición secundaria 0,42 % vol mezclas híbridas. Sobre punto percolación, compuestos híbridos mostraron aumento sinérgico conductividad —hasta veinte veces comparado compuestos relleno único. Modelado redes cadenas conductoras y resistencia contacto explicó comportamiento: arquitectura híbrida reduce capas polímero inter-partícula, bajando resistencia inter-partícula y amplificando red conductiva.

Antecedentes

Usar múltiples rellenos simultáneamente es ahora estrategia probada para adaptar propiedades compuestos. Cuando nanomateriales conductivos como fibras carbono, negro carbono o grafeno interactúan dentro matriz polímero, pueden formar redes interconectadas que mejoran dramáticamente conductividad eléctrica y térmica, así como rendimiento mecánico. Fenómeno "doble percolación" —donde dos vías conductoras distintas forman— se ha observado sistemas combinando rellenos fibrosos y particulados, llevando efecto sinérgico pronunciado.

Teoría percolación clásica predice transición única aguda de aislante a conductor. Sin embargo, muchos estudios experimentales reportan transiciones más complejas, multi-paso, a menudo atribuidas geometría partícula, calidad dispersión e efectos interfaciales. Entender estos mecanismos es crucial para diseñar compuestos alto rendimiento.

Trabajos recientes rellenos nano híbridos —especialmente combinaciones nanotubos carbono (CNTs) y nanoestructuras grafito (GNPs)— han mostrado que razones aspecto únicas y morfologías cada relleno pueden aprovecharse crear redes conductoras más eficientes. En nuestro estudio, objetivo cuantificar cómo pequeña cantidad GNPs influencia comportamiento percolación compuestos epóxido rellenos MWCNT.

Métodos

Materiales

Nanotubos carbono multi-pared (MWCNTs, pureza ≥90 %) y grafito expandido térmicamente (TEG) usados preparar GNPs. GNPs exfoliaron agua por 30 h dispersión ultrasónica, produciendo partículas dimensiones laterales 0,2–5 µm y espesores 5–55 nm (máximo 28 nm). Razones aspecto variaron ~40 a 900, favoreciendo alta conductividad eléctrica.

Epóxico Larit 285 (Lange Ritter GmbH) sirvió matriz polímero (viscosidad 600–900 mPa s). Endurecedor H285 (viscosidad 50–100 mPa s) añadido ratio estequiométrico curar resina.

Preparación Compuestos

Dos familias compuestos fabricaron:

• Materiales Compuestos Mono (MCMs): resina epóxido rellena GNPs o MWCNTs (0,03–4 % vol).
• Materiales Compuestos Híbridos (HCMs): resina epóxido rellena MWCNTs (0,03–4 % vol) más fijo 0,24 % vol GNPs.

Cada lote, relleno dispersó acetona, mezcló ultrasónicamente con resina epóxido (30 min GNPs, 60 min MWCNTs), luego añadió endurecedor. Mezcla vertió moldes y curó temperatura ambiente 48–72 h. Especímenes prueba (3,5 × 3,5 × 10 mm³) cortaron mediciones conductividad.

Pruebas Eléctricas

Conductividad midió rango 10⁻¹² a 10 S m⁻¹ usando método cuatro-puntas muestras resistencia ≤10⁴ Ω y teraohmímetro resistencias mayores. Mediciones realizadas temperaturas 6–300 K. Tres especímenes por composición probados asegurar reproducibilidad.

Resultados y Discusión

Comportamiento Percolación

Figura 2 muestra tanto MCMs como HCMs exhiben dos transiciones percolación. Compuestos solo MWCNT, primera transición ocurre 0,13 % vol (σ > 10⁻⁶ S m⁻¹). Compuestos solo GNPs alcanzan umbral único 1,7 % vol. Compuestos híbridos con 0,24 % vol GNPs muestran concentración crítica 0,42 % vol, cayendo entre dos valores relleno único.

Transición inicial cuasi-dinámica atribuida a CNTs aislados móviles formando cadenas conductoras antes resina endurece. Transición estática subsecuente sigue teoría percolación clásica, descrita σ ∝ (ϕ – ϕ_cr)ᵗ, donde t exponente crítico.

Mejora Conductividad Sinérgica

Sobre umbral percolación, HCMs exhiben aumento dramático conductividad —hasta veinte veces 2 % vol y diez veces 4 % vol relativo MCMs correspondientes. Sinergia surge de espesor capa polímero reducido entre partículas relleno, bajando resistencia contacto (R_k) y permitiendo más cadenas conductoras.

Nuestro modelo resistencia efectiva, basado geometría partícula y factores empaquetamiento, captura cuantitativamente estos efectos. Cálculos muestran compuestos híbridos logran menor R_k (10⁶–10⁷ Ω) y número sustancial cadenas ininterrumpidas (N*_chain) comparado sistemas relleno único.

Simulaciones resistencia túnel confirman capas polímero inter-partícula más delgadas (δ ≈ 0,8–1,1 nm híbridos) diminuyen significativamente R_k, mientras δ mayor compuestos solo GNPs conduce mayor resistencia.

Conclusiones

Dos umbrales percolación identificados en nanocompuestos epóxido baja viscosidad: transición cuasi-dinámica impulsada CNTs móviles y transición estática gobernada percolación clásica. Sobre punto crítico, compuestos híbridos (MWCNT + GNP) exhiben pronunciada mejora sinérgica conductividad. Efecto atribuido resistencia contacto reducida proveniente capas polímero más delgadas y mayor número vías conductoras. Estos hallazgos proveen clara vía ingeniar compuestos epóxido alta conductividad mediante combinaciones estratégicas rellenos.