Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Сочетание специфических физико-механических, химических и электрических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволяет широко использовать их в различных отраслях техники. В частности, при производстве электропроводящих материалов. Особый интерес представляют полимеры, использующие в качестве наполнителятерморасширенныйграфит (ТРГ), обладающий рядом уникальных свойств: широкий диапазон рабочих температур, высокая химическая стойкость, износостойкость и др.Введение ТРГ в полимер дает возможность получать композиционные материалы с широким спектром электрических и тепловых характеристик [1-3; 7]. Кроме того, усилить электропроводящие свойства композицииможно, внедрив в неепластификатор, имеющиймалое электросопротивление, - глицерин [3].В качестве метода формования для таких ПКМ часто используют плунжерную или шнековую экструзию,которые позволяют получать низкопористые, легкие и длинномерныеизделия различной формы поперечного сечения [3-6].

Целями данной работы являются:

- изучение влияния глицерина на электропроводящие свойства и формирование структуры композиции ТРГ-полиэтилен;

- изучение влияния температуры внешней среды на электропроводящие свойства композиции ТРГ-полиэтилен.

Материал и методы исследования

В качестве исходных материалов для формирования композиции были использованы:

1) порошок полиэтилена высокого давления с насыпной плотностью 0,54 , как полимерное связующее;

2)терморасширенный графит неизмельченный (насыпная плотность 0,004 ) и измельченный (насыпная плотность 0,018 ),как электропроводящий наполнитель;

3) глицерин ЧДА ГОСТ 6259-75, как пластификатор.

При выборе глицерина в качестве пластификатора авторы учитывали его влияние на усиление адгезии частиц ТРГ к полиэтилену, изменение электросопротивления композиции и устойчивость ее проводящих свойств при повышенных температурах (до 200 °С).

Получение композиционных материалов ТРГ-полиэтилен проводилось по технологиям, описанным в таблице 1 [3].

Таблица 1

Технологии получения композиционных материалов ТРГ-полиэтилен

*Методика процесса формования и конструкция технологической оснастки подробно рассмотрены в работах [5; 6].

 

Методом плунжерной экструзии по технологиям I и II были получены образцы цилиндрической формы диаметром 8 мм и высотой до 30 мм. Удельное электрическое сопротивлениеобразцовизмеряли четырехзондовым методом на постоянном токе. Измерения проводили при двух противоположных направлениях тока через образец. Электросопротивление образцов определяли в направлении экструдирования (вдоль оси образцов). Измерение электропроводности проводилось минимум на 3 образцах для одной концентрации наполнителя. Для изучения структуры использовали металлографический микроскоп «Альтами МЕТ 5» при увеличениях 100-200 крат.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследование электро- и теплофизических свойств глицерина показало, что:

1) глицерин является проводящей средой с электросопротивлением в среднем 13 МОм при нормальных условиях;

2) нагрев глицерина приводит к значительному снижению электросопротивления (до 1 МОм при 225 °С);

3) влияние повторного нагрева глицерина на электропроводящие свойства незначительно.

Значения электросопротивления глицерина при температурах в интервале от 20 до 225 °С, в том числе при повторных нагревах, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Электро- и теплофизические свойства глицерина

 

Использование глицерина в качестве пластификатора для систем ТРГ-полиэтилен позволяет:

1)                 улучшить смачиваемостьпроводящего наполнителя и усилить адгезию его частиц к полимерному связующему посредством внедрения глицерина в поры частиц терморасширенного графита (рис. 1);

2)                 улучшить электропроводящие свойства композиции с помощью формирования дополнительных проводящих контактов между частицами и слоями ТРГ в направлении экструдирования (рис. 1);

3)                 уменьшить концентрацию проводящего наполнителя при сопоставимом значении удельного электрического сопротивления композиции, сохраняя тем самым упругие характеристики материала на необходимом уровне.

Значения удельного электрического сопротивления композиций ТРГ-полиэтилен, изготовленных по технологиям I и II с учетом изменения концентраций проводящего наполнителя и пластификатора, представлены в таблице 3.

Таблица 3

Значения удельного сопротивления композиций ТРГ-полиэтилен

 

Рис. 1. Микроструктура композиционного образца ТРГ-полиэтилен

 (концентрация измельченного ТРГ - 10% и глицерина - 9% по массе),

увеличение 100 крат

Рис. 2. Микроструктура композиционного образца ТРГ-полиэтилен

 (концентрация измельченного ТРГ - 10% по массе, без глицерина),

увеличение 200 крат

 

ПКМ на основе измельченного терморасширенного графита без добавления глицерина имеют большее электросопротивление, чем композиции с пластификатором (табл. 3). Это связано с наличием изолирующих оксидных пленок на частицах графита и зазоров между ними, заполненными полиэтиленом, блокирующим частицы и слои графита друг относительно друга(рис. 2).При введении пластификатора часть оксидных пленок замещается глицерином, а между частицами и слоями ТРГ возникают дополнительные контакты(рис. 1). Формируется проводящая структура во всем объеме композита. Однако увеличение концентрации глицерина (12% по массе), при изготовлении композиций по технологии II, приводитк снижению плотности экспериментальных материалов (формируется рыхлая структура) и резкому падению прочностных характеристик.

Значения удельного электрического сопротивления композиций ТРГ-полиэтилен, изготовленных по технологиям I и II (насыпная плотность ТРГ 0,018 ) с учетом изменения концентраций проводящего наполнителя и пластификатора в зависимости от температуры внешней среды,представлены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4

 Значения удельного сопротивления композиций ТРГ-полиэтилен при нагреве

Таблица 5

Значения удельного сопротивления композиций ТРГ-полиэтилен при охлаждении (T=-20 °C)

 

Из таблиц 4 и 5 видно, что для композиций ТРГ-полиэтилен, изготовленных как по технологии I, так и по технологии II, прослеживается закономерность роста удельного сопротивления при охлаждении образцов и снижения электросопротивления при их нагреве. Важно отметить, что электросопротивление испытуемых образцов изПКМ, содержащих пластификатор,значительно меньшеэлектросопротивления образцов, изготовленных без добавления глицерина, как при высоких, так и при низкихтемпературах окружающей среды.

Выводы

Проведенные исследования показали следующее.

1.                  Использование глицерина позволяет снизить электросопротивление композиций ТРГ-полиэтилен (до 0,018 Ом·м при концентрации ТРГ – 20% и глицерина - 9% по массе) и при необходимостиуменьшить концентрацию токопроводящего наполнителя (с 20 до 15% по массе)при практически неизменном уровне электросопротивления( Ом·м).

2.                  Удельное электросопротивление ρ (Ом·м) исследуемых образцов, содержащих глицерин, на 1-2 порядка меньше удельного сопротивления образцов, изготовленных без добавления глицерина внезависимости от температуры окружающей среды.

Рецензенты:

Сиротенко Л.Д., д.т.н., профессор кафедрыМТиКМ ПНИПУ, г. Пермь;

Матыгуллина Е.В., д.т.н., профессор кафедрыМТиКМ ПНИПУ, г. Пермь.