Технология получения теплопроводных полимерных композиционных материалов повышенной прочности путем модифицирования физическими полями

УДК 678.64

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ ПУТЕМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИМИ

ПОЛЯМИ

В.М. Попов, А.П. Новиков, E.H. Лушникова

Воронежская государственная лесотехническая академия

Рассматривается процесс формирования теплопроводных структур дисперснона-полиениых полимеров под воздействием магнитоультразвукового и магнитоволнового поля. Обработка комбинированными физическими полями расплавов полимеров с дисперсными наполнителями повышает теплопроводность и прочность полимерных композиционных материалов.

Ключевые слова: напряженность, наполнитель, коэффициент теплопроводности, ультразвук, магнитное, волновое поле, клеевые соединения, прочность.

В настоящее время во многих областях техники широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Существенным недостатком ПКМ, сдерживающим их более широкое применение, является их низкая теплопроводность. Для повышения теплопроводности ПКМ приметают технологический прием, в основу которого заложено насыщение неотвержденной полимерной матрицы металлическими порошками. Однако этот способ даже при высокой концентрации наполнителя дает малый эффект повышения теплопроводности полимерной композиции. При этом наблюдается заметное снижение механических характеристик изделий из ПКМ, что особенно негативно проявляется для соединений на клеях [1]. Повысить теплопроводность ПКМ можно, если осуществить направленное структурирование частиц наполнителя в среде полимера в виде цепочек или других образований.

Ранее предлагался способ получения таких структур в ПКМ путем воздействия на расплав наполненного полимера в форме прокладок, покрытий и клеевых прослоек магнитным или электрическим полем [3,4]. Этим способом можно под-тать коэффициент теплопроводности до 1 Вт/м-К . При этом механические характеристики изменяются незначительно.

Вместе с тем проведенный микроструктурный анализ магнито - или электрооб-работанных образцов показал, что плотность упаковки частиц наполнителя в образовавшихся цепочках далека от совершенства. Отсюда напрашивается вывод, что сохраняется резерв для повышения теплопроводности ПКМ за счет создания более плотно упакованных образований из частиц наполнителя.

Для решения этой проблемы предлагается воздействовать на расплав наполненной полимерной композиции комбинированными физическими полями в виде магнитоультразвукового или магнитоволнового поля.

Для реализации предлагаемого метода использовался стенд, состоящий из электромагнитного индуктора с подвижными башмаками, блока питания, расположенного между полюсами магнита рабочей ячейки с нагревателем и ультразвуковой головкой. В области рабочей ячейки создавалось напряжение магнитного поля в пределах от 0 до 27 • 104 А/м. Изменение напряженности магнитного поля достигалось путем варьирования межполюсным расстоянием или силой тока. Ультразвуковой излучатель в комплекте с ультразвуковым генератором создавал ультразвуковое облучение с ра-

бочей частотой до 22 кГц. Для создания волнового поля использовался в комплекте с магнитным стендом виброгрохот, позволяющий создавать частоту колебаний образца от 15 до 70 Гц с амплитудой колебаний от 0,25 до 1,5 мм.

В качестве исследуемых образцов использовались полимерные прокладки и клеевые прослойки толщиной до 1 мм. Полимерные прокладки формировались в фторопластовых кюветах, клеевые прослойки приготавливались между поверхностями субстратов из стали 20. Исследовались полимерные композиции на основе эпоксидной смолы ЭД11 с отверди-

Таблица 1

Зависимость коэффициента теплопроводности обработанных в магнитоультразву-ковом поле полимерных прокладок от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового облучения при различной концентрации наполнителя марки ПЖВ

телем ПЭПА и клей марки К - 153. В качестве наполнителей приметались железный порошок ПЖВ и никелевый порошок ПНК различной дисперсности.

Образцы в неотвержденном состоянии подвергались обработке физическими полями в течение 20 - 30 мин при температуре не выше 60°С. Приготовленные подобным образцом образцы испытывались на теплопроводность на установке, функционирующей по методу двух температур-но - временных интервалов [2].

Результаты проведенных исследований представлены в табл. 1-3.

Концентрация наполнителя в % от объема полимера Частота ультразвукового облучения, кГц Коэффициент теплопроводности Х

1 4 10 16 25 28

10 0 0,24 0,32 0,46 0,52 0,55 0,62

20 0 0,36 0,43 0,48 0,56 0,58 0,64

30 0 0,41 0,51 0,57 0,6 0,63 0,66

40 0 0,45 0,53 0,6 0,62 0,69 0,73

10 12 0,26 0,43 0,55 0,64 0,74 0,81

20 12 0,46 0,53 0,63 0,7 0,82 0,91

30 12 0,5 0,61 0,68 0,76 0,88 0,97

40 12 0,53 0,68 0,74 0,78 0,89 0,99

10 20 0,29 0,47 0,61 0,69 0,87 0,93

20 20 0,5 0,58 0,67 0,75 0,88 0,95

30 20 0,6 0,67 0,73 0,8 0,9 0,99

40 20 0,62 0,7 0,79 0,88 0,95 1,15

Таблица 2

Зависимость коэффициента теплопроводности обработанных в магнитоультразву-ковом поле полимерных прокладок от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового облучения при различной концентрации наполнителя марки ПНК

Концентрация наполнителя в % от объема полимера Частота ультразвукового облучения, кГц Коэффициент теплопроводности X

1 4 10 16 25 28

10 12 0,27 0,44 0,6 0,65 0,78 0,86

20 12 0,48 0,54 0,66 0,73 0,82 0,94

30 12 0,53 0,64 0,73 0,82 0,89 0,97

40 12 0,54 0,71 0,76 0,8 0,91 1,1

10 20 0,34 0,54 0,67 0,72 0,83 0,91

20 20 0,56 0,59 0,67 0,78 0,9 0,96

30 20 0,64 0,68 0,81 0,85 0,95 1,1

40 20 0,67 0,73 0,84 0,9 0,98 1,3

Таблица 3

Зависимость коэффициента теплопроводности обработанных в магнитном поле и путем воздействия механическими колебаниями высокой частоты (магнитоволновое поле) полимерных прокладок от напряженности поля, частоты колебаний и концентрации наполнителя ПИК

Концентрация наполнителя в % от объема полимера Частота механических колебаний, Гц Коэффициент теплопроводности X

1 4 10 16 25 28

10 8 0,25 0,4 0,48 0,57 0,66 0,77

20 8 0,38 0,46 0,57 0,65 0,72 0,83

30 8 0,4 0,51 0,63 0,7 0,75 0,87

40 8 0,44 0,58 0,66 0,74 0,81 0,94

10 20 0,26 0,46 0,52 0,6 0,68 0,77

20 20 0,41 0,51 0,6 0,71 0,76 0,86

30 20 0,45 0,57 0,64 0,75 0,81 0,92

40 20 0,48 0,61 0,7 0,81 0,86 1,1

Из анализа данных табл. 1-3 можно сделать следующие выводы. Как и следовало ожидать, повышение напряженности магнитного поля сопровождается ростом теплопроводности полимерных прокладок, что объясняется увеличением количества образовавшихся цепочек из частиц наполнителя с одновременным формированием более плотноупако-ванных структур. Заметный вклад в дальнейшее повышение теплопроводности ПКМ вносит ультразвуковое облучение, которое приводит к упорядочению структуры полимерной матрицы, выстраивая макромолекулы, ответственные за тепло-перенос, вдоль силовых линий. Об этом свидетельствует микроструктурный анализ образцов, подвергнутых ультразвуковому облучению, проведенный с помощью растрового микроскопа. Из табл.1 видно, насколько эффективнее обработка в комбинированном физическом поле по сравнению с обработкой полимерной композиции только в магнитном поле. Сравнивая табл. 1 и 3 можно видеть, что теплопроводность образцов, обработанных в магнитоультразвуковом поле выше, чем в магнитоволновом поле. Это различие можно объяснить менее плотной упаковкой частиц наполнителя при воздействии магнитоволновым полем.

Как видно из табл. 1 и 3, применяя наполнители различной теплопроводности, можно направленно регулировать теплопроводность обработанных комбинированным физическим полем полимерных композиций.

Зачастую, использование в технике ПКМ требует, наряду с теплопроводностью, повышать и их механические характеристики. Поэтому проведен также цикл экспериментальных исследований по влиянию воздействия комбинированных физических полей на механические свойства ПКМ. В табл.4 представлены результаты исследований зависимости микротвердости образцов на основе эпоксидной смолы ЭДП с отвердителем ПЭПА от параметров магнитоультразву-кового поля. В качестве наполнителя использовался никелевый порошок ПНК с приведенным диаметром частиц наполнителя й? = 2,4 -16,2 мкм . Температура отверждения образцов в виде таблеток диаметром 10мм и толщиной Змм поддерживалась в пределах 40 - 50°С. Время обработки в магнитоультразвуковом поле не превышало 30 мин. Измерение микротвердости осуществлялось на приборе ПМТ - 3. Каждое отдельное значение микротвердости является усредненным значением из 10 отпечатков.

Таблица 4

Зависимость микротвердости образцов от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового облучения при воздействии магнитоультразвуковым полем

Напряженность магнитного поля НЛ0~л,А/м Частота ультразвукового облучения, кГц Концентрация наполнителя в % от объема полимера Микротвердость г, кг/ мм1

0 0 0 10,3

0 0 30 9,2

0 0 40 9,0

12 10 0 12,6

12 10 30 12,2

12 10 40 12,0

24,7 10 0 14,8

24,7 10 30 14,1

24,7 10 40 13,6

24,7 20 0 15,8

24,7 20 30 15,2

24,7 20 40 14,9

Из табл.4 следует, что микротвердость блочного полимера при воздействии магнитоультразвуковым полем возрастает. Повышение частоты ультразвукового облучения при постоянной напряженности магнитного поля сопровождается дальнейшим ростом микротвердости. Повышение микротвердости полимерной композиции при воздействии комбинированным физическим полем объясняется изменением надмолекулярной структуры полимера и созданием однородных структур.

Особый практический интерес в плане повышения механических свойств за счет воздействия физическим полем имеют исследования прочности клеевых соединений на основе полимерных клеев. Исследовалась прочность на равномерный отрыв и на сдвиг при сжатии для клеевых соединений на образцах из стали 20 с клеевыми прослойками из клеев ЭДП + ПЭПА и К - 153. Испытания проводились на разрывной машине МИ - 20. Результаты испытаний приведены в табл.5.

Таблица 5

Зависимость предела прочности клеевых соединений на равномерный отрыв и сдвиг при сжатии от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового облучения при воздействии магнитоультразвукового поля на неотвержденную клеевую прослойку

Марка клея Напряженность магнитного поля нло~4,А/ ' / м Частота ультразвукового облучения, кГц Прочность на равномерный отрыв а,МПа Прочность на сдвиг при сжатии Г, МПа

ЭДП +ПЭПА 0 0 9,8 6,0

ЭДП +ПЭПА 10 10 12,8 8,1

20 13,7 9,2

ЭДП +ПЭПА 16 10 14,1 8,5

20 15,8 9,8

ЭДП +ПЭПА 24 10 15,6 8,8

20 16,8 10,2

К - 153 0 0 10,6 6,2

К - 153 10 10 13,4 8,6

20 14,6 9,1

К - 153 20,8 10 15,1 10,8

20 16,2 11,7

Как видно из табл.5, воздействием магнитоультразвуковым полем на клеевую прослойку в неотвержденном состоянии можно значительно поднять прочность клеевого соединения.

В целом следует отметить, что применение предлагаемого технологического приема позволяет и создавать изделия из ПКМ с заранее заданными повышенными теплофизическими и механическими свойствами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Айбиндер С.Б., Андреева Н.Т. //Изв. АН Лат. ССР. Сер. физ. и техн. наук. 1983. №5. С. 3.

2. Волькенштейн B.C. Скоростной метод определения теплофнзических характеристик материалов. 1971. Л.: Энергия. 145с.

3. Попов В.М., Новиков А.П., Кондратенко И.Ю. // Матер. 3 Российской национальной конференции по теплообмену. 2002. Т.7. С.224.

4. Попов В.М., Остроушко М.Н. // Вестник ВГТУ. 2005. Т.1. №6. С.47.

НОВЫЕ КНИГИ

Шапошников Г.П., Майзлиш В.Е., Борисов A.B., Перевалов В.П. Основы курсового и дипломного проектирования / Учебное пособие с грифом УМО. — Иваново: Изд-во ИГХТУ. -2010. -200с.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 240100 «Химическая технология и биотехнология» (бакалавриат) и специальности 240401 «Химическая технология органических веществ», а также для студентов заочной формы обучения данной специальности, и может быть полезно специалистам, работающим в области химической технологии органических веществ.

В пособии изложен обобщенный материал, касающийся вопросов проектирования предприятий тонкого органического синтеза, даны рекомендации по структуре и содержанию пояснительной записки, составу графической части проектов, при этом учтены требования действующих нормативных документов по вопросам разработки, составления, утверждения и оформления проектной документации, многолетний опыт выполнения курсовых и дипломных проектов по специальности «Химическая технология органических веществ». Представлены методические положения и примеры оформления разделов проектов. В приложении приведены многочисленные справочные материалы.

Рукопись поступила в редакцию 08.12.2010.

THE TECHNOLOGY OF HEAT-CONDUCTING POLYMERIC COMPOSITE RUGGEDIZED MATERIALS PRODUCTION BY MODIFYING THE PHYSICAL FIELDS

V. Popov, A. Novikov, E. Lushnikova

The process of dispersed filled polymers heat-conducting structures under the influence of magnetic ultrasonic and magnetic wave field is examined. Processing by combined physical fields of polymers melts with disperse fillers increases heat-conducting and hardness of polymeric composite materials.

Key words: strength, filler, heat-conductivity index, ultrasound, magnetic, wave field, glue joints, hardness.