Хімія і хімічні технології/1 Пластмаси, полімерні і синтетичні матеріали

Кальба Є.М., Гарматюк Р.Т., Голотенко С.М.

Тернопільський національний педагогічний університет

імені Володимира Гнатюка, м. Тернопіль

ТЕПЛОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОЛІМЕРНИХ

КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОКРИТТІВ

Епоксидні полімери при невеликому степені наповнення і високих елекеропровідних властивостях практично недостатньо використовують в електротехнічній індустрії із-за низьких експлуатаційних характеристик. Тому актуальним завданням сучасного матеріалознавства є розробка нових електропровідних композитів із заданими електропровідними характеристиками, яким властиві високі міцнісні та теплофізичні показники.

Високонаповнені електротехнічні полімеркомпозити формуються при підвищених температурах і при експлуатації можуть піддаватися температурному впливу, тому вивчення теплофізичних властивостей електропровідних полімеркомпозиційних матеріалів має велике практичне значення.

При дослідженні коефіцієнту теплового лінійного розширення (КТЛР) необхідно враховувати, що його величина залежить в основному від енергії міжатомної взаємодії і в значній мірі визначається хімічним складом матеріалу та величиною температури нагрівання. Ділатометричними дослідженнями встановлено, що полімерні матеріали мають достатньо високе значення величини КТЛР, яке пояснюється відомою теорією вільного об’єму [1]. При введенні в полімерну матрицю наповнювачів об’ємна усадка і відповідно КТЛР зменшується, що є важливим фактором при створенні електропровідних покриттів і дозволяє знизити внутрішні напруження на межі поділу покриття – основа.

За основу полімерної матриці використали епоксидно-діанову смолу марки ЕД-20, яку структурували амінним твердником – поліетиленполіаміном (ПЕПА) в кількості 12 мас. ч. на 100 мас. ч. епоксидної смоли. Для пластифікації застосували аліфатичну смолу ДЕГ-1, яка являє собою дигліциділовий ефір диетиленгліколю.

Як наповнювач використано порошок пластинчастого графіту (ПГ), технічного графіту (ТГ), технічного вуглецю (ТВ). Композиція являє собою полімерну матрицю на основі епоксидної смоли, пластифікатора та твердника, наповнену порошками пластинчастого графіту, технічного графіту і технічного вуглецю дисперсністю 2-8 мкм.

Ділатометричні дослідження (рис.) показали, що величина КТЛР також залежить від повноти наповнення матеріалу та природи наповнювача.

Рис. Залежність КТЛР композитів від природи і кількості

наповнювачів:

ПГ – пластинчастий графіт; ТГ – технічний графіт; ТВ – технічний вуглець.

Експериментально встановлено, що у випадку формування електропровідних полімеркомпозиційнх матеріалів на основі пластинчастого та технічного графітів при зміні співвідношення між в’яжучим і наповнювачами від 190 мас. ч. до 240 мас.ч. основного наповнювача на 100 мас.ч. в’яжучого спостерігається монотонне зниження ТКЛР досліджуваних систем, а композит має структуру щільно впакованих полідисперсних частинок змочених в’яжучим, що дозволяє знизити на 40-60% КТЛР композитів в порівнянні з полімерною матрицею. Таким чином, використання наповнювачів нанодисперсності дає можливість направленого регулювання теплофізичних властивостей композитів.

Отримані результати пояснюються тим, що при формуванні полімеркомпозитів об’ємні зміни в матриці, внаслідок фізико-хімічних і теплових ефектів, значно більші ніж об’ємні зміни наповнювачів. Це приводить до виникнення внутрішньо-напруженого стану, високих термічних напружень в граничних шарах, а як наслідок – утворення мікротріщин, руйнування хімічних зв’язків та погіршення міцнісних властивостей матеріалу. Застосування частинок різної дисперсності при формуванні композиту і забезпечення максимальної щільності упакування дозволяє значно зменшити ці негативні процеси та підвищити експлуатаційні властивості матеріалу [2].

Найбільший вплив на зменшення лінійних розмірів композитів під дією температури забезпечують пластинчастий графіт і технічний вуглець, які адсорбують значну кількість молекул полімерної матриці. В такому стані, при температурі нижче температури склування, композиційний матеріал змінює об’єм в результаті зміни величини амплітудних коливань атомів. Цей процес, головним чином, характеризується енергією міжмолекулярної взаємодії, а новий вільний об’єм не утворюється до тих пір, поки не досягається область температури склування [3].

Дослідженнями встановлено, що КТЛР в процесі підвищення температури у сформованих композитах зростає при одночасному зменшенні внутрішніх напружень . Така кореляція пояснюється тим, що КТЛР визначається структурними перетвореннями по всій товщині матеріалу зразка, а внутрішні напруження – структурними перетвореннями на границі покриття-основа. На початковій стадії підвищення температури (293-323К) проходить часткове руйнування між окремими глобулярними елементами структури, що призводить до незначного зниження внутрішніх напружень і незначного зростання КТЛР. На наступному етапі підвищення температури (323-373К), внаслідок релаксації пружних деформацій та часткового руйнування адгезійних зв’язків на межі поділу фаз, спостерігається подальше зменшення внутрішніх напружень при різкому зростанню КТЛР. Підвищення температури до 413К призводить до подальшого руйнування раніше утворених структур і локального відшарування полімерної матриці від основи.

Таким чином, КТЛР полімеркомпозиційних матеріалів залежать від об’ємного вмісту та хімічної природи наповнювачів. Встановлено, що використання дисперсних наповнювачів ТГ і ПГ дозволяє знизити КТЛР на 40 – 50% в порівнянні з полімерною матрицею. Експериментально доказано, що підвищення температури сприяє зниженню внутрішніх напружень та зростанню КТЛР у сформованих зразках, що характеризується різною швидкістю проходження фізико-хімічних та релаксаційних процесів у композиті в цілому і на межі поділу фаз основа – полімеркомпозит. Введення дисперсних наповнювачів дозволяє підвищити температуру склування на 20-22^оК композиту.

Отже показано, що зміна співвідношення між вибраними наповнювачами і в’яжучим при їх формуванні дозволяє регулювати в широких межах теплофізичні і фізико-механічні властивості полімеркомпозитів.

Література

1. Кан К.Н. Вопросы теории теплового расширения полимеров.–Л.: Из-во Ленинград. Ун-та, 1975.-80с.

2. Пивень А.И., Гречаная Н.А., Чернобыльский И.И. Теплофизические свойства полимерных материалов.–К.: Вища школа,1976.-180с.

3. Колупаев Б.С. Релаксационные термические свойства наполненных полимерных систем. – Львів: Вища школа, 1980.-204с.