Хімія і хімічні технології/1

к. т. н., доц. Кальба Є.М.,¹ к. т. н. Голотенко С.М.,¹ к. т. н.,

доц. Пашинський Л.М.,² к. т. н. Гарматюк Р.Т.²

¹Тернопільський національний педагогічний університет

імені Володимира Гнатюка, м. Тернопіль

²Кременецький обласний гуманітарно-педагогічний інститут

імені Тараса Шевченка, м. Кременець

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ПОЛІМЕРКОМПОЗИЦІЙНИХ ПОКРИТТІВ

Епоксидні полімери з низьким вмістом металевих порошкових наповнювачів і високими електропровідними властивостями практично недостатньо використовують в електротехнічній індустрії із-за низьких експлуатаційних характеристик та високої вартості. Тому актуальним завданням сучасного матеріалознавства є розробка нових електропровідних композитів із заданими електропровідними характеристиками, яким властиві високі фізико-механічні та теплофізичні показники, що досягається шляхом формування багатокомпонентних систем при високому степені наповнення. Введення наповнювачів збільшує жорсткість композитів внаслідок зменшення рухливості сегментів макромолекул на поверхні наповнювачів фізичними і хімічними зв’язками.

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 . Важливими теплофізичними властивостями, які впливають на експлуатаційні характеристики полімеркомпозиційних покриттів є теплостійкість і коефіцієнт теплового лінійного розширення [1, 2].

Об’єктом дослідження вибрано полімеркомпозиційні матеріали на основі епокси-діанового олігомера ЕД-20 , який структурували амінним твердником – поліетиленполіамін (ПЕПА). В якості наповнювача використано порошки пластинчастого графіту (ПГ) дисперсністю 40-120 мкм, технічного вуглецю (ТВ) та технічного графіту (ТГ) дисперсністю 2-4 мкм.

Теплостійкість (за Мартенсом) полімеркомпозиційних матеріалів визначали згідно ГОСТ 21341-75.

У процесі досліджень встановлено, що введення дисперсних наповнювачів призводить до підвищення теплостійкості наповнених полімерних систем в порівнянні з полімерною матрицею, із збільшенням ступеня наповнення. В процесі досліджень встановлено, що теплостійкість полімеркомпозиційних матеріалів електротехнічного призначення в залежності від кількісного складу і роду наповнювача носить екстремальний характер (рис. 1).

Рис. 1. Залежність теплостійкості композитів (за Мартенсом) від природи і кількості наповнювачів (мас.ч.):

1. – ПГ; 2. – ТГ; 3. – ТВ; 4. – ПГ +ТГ 40 мас.ч.; 5. – ПГ +ТВ 40 мас.ч.

Екстремуми кривих знаходяться в межах 100 мас. ч. в’яжучого на 190 – 240 мас.ч. основного наповнювача і пояснюються формуванням щільно зшитої системи за рахунок найкращої змочуваності наповнювачів в результаті максимального обтягування зерен епоксидним в'яжучим, та відповідного підвищення міцнісних характеристик матеріалів, а також забезпечує підвищення температури склування на 20-22К у порівнянні з полімерною матрицею. В результаті проведених досліджень встановлено, що введення в композицію додатково дрібнодисперсного наповнювача ТВ дозволяє підвищити її теплостійкість на 15-20 К для композиції, яка містить основний наповнювач ПГ і становить 379 К. Додаткове введення в композицію, яка містить в якості основного наповнювача ПГ, дрібнодисперсного наповнювача технічного графіту (ТГ) не призводить до значного підвищення теплостійкості і складає всього 5-7 К, що пояснюється слабкою розвиненістю поверхні наповнювача та великою рухливістю макромолекул в граничному шарі полімер-наповнювач.

Збільшення теплостійкості полімерної матриці при введенні наповнювачів пояснюється високим ступенем зшивання в’яжучого. В результаті взаємодії молекул епоксидної матриці з активними центрами наповнювача відбувається впорядкування ланцюгів полімеру на поверхні наповнювача і обмеження їх рухливості в граничному шарі. Методом ІЧ-спектропії в області частот 3300-3600 см^-1 встановлено смуги поглинання, які підтверджують, що частина гідроксильних груп епоксидної смоли вступає у взаємодію із активними центрами наповнювачів з утворенням ковалентних та водневих зв’язків.

Таким чином, проведені дослідження показали, що використання технічного графіту в якості допоміжного наповнювача є недоцільним через незначний вплив на підвищення теплостійкості композиції в цілому. Використання в якості основного наповнювача пластинчастого графіту та технічного вуглецю в якості допоміжного, дозволяє збільшити теплостійкість композиції в середньому на 20-25 К.

Серед традиційних методів регулювання структури полімеркомпозиційних матеріалів, які дозволяють покращити їхні характеристики, поряд із введенням у матрицю зародків структуроутворення, є обробка енергетичними полями. При цьому, обробка енергетичним полем в процесі формування покриттів підвищує теплостійкість композитів за рахунок регулювання надмолекулярної структури полімеру і вимушеної орієнтації частинок наповнювача [3].

З метою покращення теплофізичних властивостей полімеркомпозитів проводили ультразвукову (УЗ) обробку композиції при частоті коливань 22 кГц, амплітуді коливань – 15-20 мкм і часі обробки до 8 хв.

Експериментально встановлено, що УЗ-обробка при оптимальному часі обробки 4-5 хв сприяє підвищенню на 6 – 8% теплостійкості (рис. 2), збільшенню швидкості полімеризації внаслідок впорядкування структури, збільшення поверхні міжфазного контакту і числа активних центрів поверхні наповнювача в результаті її звільнення під дією кавітації від адсорбованих речовин та зменшення кількості пор.

Рис. 2. Вплив режимів УЗ на теплостійкість (за Мартенсом):

1 – амплітуда коливань 15мкм, 2 – амплітуда коливань 20мкм.

Підвищення теплофізичних властивостей наповнених полімеркомпозиційних матеріалів можна пояснити здатністю поверхні наповнювача сорбувати низькомолекулярні речовини; збільшенням питомої поверхні наповнювача, яка контактує з епоксидним в'яжучим, а також механо-хімічними процесами, які проходять під дією ультразвукового поля.

Даний метод відзначається високою ефективністю процесу, незначним температурним впливом і призводить до покращення структурних та теплофізичних характеристик полімеркомпозиційних матеріалів. В результаті проведених досліджень встановлено, що при УЗ обробці відбувається дегазація епоксидної композиції, яка сприяє бездефектності покриттів, особливо при використанні високонаповнених композицій з вмістом газових включень і високою в’язкістю. Тому вплив ультразвукового поля, яке дозволяє повністю видалити газові включення протягом 3 – 4 хв, є особливо ефективним.

Таким чином, наповнення полімерної матриці дисперсними наповнювачами різної природи та різного гранулометричного складу поряд із впливом ультразвукового поля дозволяє в широкому діапазоні регулювати структуру та теплостійкість композиційних матеріалів.

Література:

1. Стухляк П.Д. Вплив фізико-хімічної взаємодії між компонентами системи епоксикомпозиту на його теплопровідність / П.Д. Стухляк, М.М. Митник, Ю.О. Кашуба // Вісник ТДТУ. – Тернопіль : ТДТУ. – 1998. – Т.3, №4. – С. 146-151.

2. Годовский Ю.К. Теплофизика полимеров / Годовский Ю.К. – М.: Химия, 1983. – 254 с.

3. Тризно М.С. Клеи и склеивание / М.С. Тризно, Е.В. Москалев. – Л. : Химия, 1980. – 120 с.