Volumetric characterization of the nano- and microconfiguration of nanocomposites with conductive fillers by dielectric spectroscopy

Ein Effektiv-Medium-Modell (Polder/van Santen/Böttcher-Modell oder PvSB-Modell) wurde verwendet, um die dielektrischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen in Abhängigkeit von ihrer Füllstoffdispersion und -orientierung zu beschreiben. Das Modell wurde experimentell anhand von Referenzproben mit definiert eingestellter Dispersion und Orientierung der Füllstoffe validiert.

Neben der Verwendung des PvSB-Modells, wurde zur Simulation der dielektrischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen die Finite-Elemente-Methode (FEM) angewandt. Bei geringen Füllstoffkonzentrationen stimmen die Ergebnisse von Simulation und Modell sehr gut überein. ... mehrBei hohen Konzentrationen beginnen die Ergebnisse voneinander abzuweichen. Die vom PvSB Modell nicht berücksichtigten Parameter, wie der relative Abstand zwischen den Füllstoffen oder die Netzwerkbildung von Füllstoffen, wurden mit Hilfe der FEM simuliert. Es wurde festgestellt, dass die meisten dieser Parameter einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Gesamtpermittivität des Komposits haben. Lediglich die Netzwerkbildung der Füllstoffe führte zu einem erheblichen Effekt.

Eine Erweiterung des PvSB-Modells (e-PvSB) wurde folglich vorgeschlagen, um die Kontakt- oder Netzwerkbildung der Füllstoffe in einem Komposit zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Parameter definiert, der Netzwerkfaktor.

Darauf aufbauend wurde eine Methode zur Verwendung des e-PvSB-Modells vorgeschlagen, um morphologische Informationen aus experimentellen Daten zu erhalten. Die Methode wurde angewandt, um anhand von Messdaten der Permittivität, die Morphologie von Polymer- Nanokompositen mit Kohlenstoff-Nanoröhren und Ruß unter verschiedenen Zuständen von Dispersion und Ausrichtung abzuschätzen.

An effective medium model (Polder/van Santen/Böttcher model or PvSB model) was considered to describe the dielectric properties of composites as a function of their filler dispersion and orientation. The model was experimentally validated using reference samples with controlled conditions of dispersion and orientation.

In addition to the PvSB model, the finite element method (FEM) was applied to simulate the dielectric properties of composites. When simulating under the special conditions assumed by the PvSB model, both simulations and model agree accurately, except for high concentrations, where both start to deviate. ... mehrSpecial features that are ignored by the model, like the relative distance among fillers or the network formation of fillers, were simulated. Most of these features were found to have a negligible impact on the total permittivity of the composite. Only the network formation of fillers resulted in a considerable effect.

Consequently, an extension to the PvSB model (e-PvSB) was proposed to account for the contact or networking formation of the fillers in a composite. A new parameter was defined for this purpose, the network factor.

A method was proposed to use the e-PvSB model to obtain morphological information from experimental data. The method was applied to estimate, on the basis of permittivity measurements, the morphology of polymer nanocomposites with carbon nanotubes and carbon black under different conditions of dispersion and alignment.