Modelo estatístico de rede de resistores para o estudo de processos de condução em nanocompósitos poliméricos

Abstract

Neste trabalho, estudamos os processos de condução envolvidos na condutividade elétrica de nanocompósitos de polianilina com óxido de índio e estanho (PANI/ITO) e de poliuretano com negro de fumo (PU/NF), a partir da aplicação de um modelo estatístico de rede de resistores e da análise da condutividade dc próximo ao limiar de percolação. O modelo estatístico foi desenvolvido em linguagem Fortran 90 para gerar a estrutura morfológica desses nanocompósitos e calcular a condutividade elétrica alternada pela aplicação de uma técnica de matriz de transferência. O modelo levou em consideração a estrutura desordenada da PANI não dopada, a formação de segmentos moles e duros no PU e a distribuição aleatória de nanopartículas e agregados de ITO e NF em suas respectivas matrizes. A impedância entre dois sítios vizinhos da matriz polimérica, tanto para PANI quanto para PU, foi calculada pelo modelo de Dyre, enquanto que a impedância entre dois sítios vizinhos que compõem a fase condutora de ambos nanocompósitos foi calculada pelo modelo de Drude. Foram realizadas medidas de espectroscopia de impedância e de condutividade dc para ambos os compósitos, com diferentes concentrações da fase condutora. Os objetivos foram analisar os processos de condução, determinar o limiar de percolação e os expoentes críticos da condutividade. De acordo com os resultados das simulações e dos resultados experimentais, o processo de condução entre dois sítios da matriz polimérica obedece ao modelo de distribuição aleatória de barreiras de energia livre de Dyre (RFEB), ao passo que a condução nos domínios condutores é descrita pelo modelo de Drude. A análise das medidas de condutividade dc realizadas abaixo do limiar de percolação de ambos os compósitos indica que o processo de condução...

In this paper, we study the conducting processes involved in electrical conductivity of polyaniline/indium tin oxide nanocomposites (PANI/ITO) and polyurethane/carbon black nanocomposites (PU/CB), from the application of a statistical model of network resistors and the analysis of the dc conductivity near the percolation threshold. The statistical model was developed in Fortran 90 to generate the morphological structure of these nanocomposites and calculate the alternating electrical conductivity by applying a transfer matrix technique. The model took into account the disordered structure of undoped PANI, the formation of soft and hard segments in PU and random distribution of nanoparticles and aggregates of ITO and NF in their respective matrix. The impedance between two neighboring sites of the polymeric matrix, for both PANI and PU, was calculated by the model of Dyre, while the impedance between two neighboring sites from conductive phase was calculated by the Drude model. Were measured impedance spectroscopy and dc conductivity for both composites, with different concentrations of the phase conductor. The objectives were to analyze the processes of conduction, determine the percolation threshold and critical exponents of conductivity. According to the simulations and experimental results, the conduction process, between two sites of the polymeric matrix, is in agreement with random free energy barriers model proposed by Dyre (RFEB), while the conduction in the conductive phase is described by the Drude model. The analysis of the dc conductivity measurements obtained below the percolation threshold on both the composites indicates that the process of conduction occurs via hopping between sites of the polymeric matrix. In the region of percolation, both the hopping and tunneling can contribute to the conduction process. However, for samples with concentrations... (Complete abstract click electronic access below)