К созданию полимерных композиционных материалов с повышенными теплофизическими и механическими свойствами

К СОЗДАНИЮ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОВЫШЕННЫМИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИМИ И МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ В.М. Попов, А.П. Новиков, Э.Н. Бусарин, Е.Н. Лушникова

Исследуется влияние магнитоволнового поля на теплопроводность и микротвердость дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов

Ключевые слова: полимерные материалы, коэффициент теплопроводности, микротвердость, магнитное поле, волновое поле, напряженность

В современных технических системах различного назначения широко применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ). Режим работы изделий из ПКМ накладывает целый спектр требований, в частности, более высокую теплопроводность ПКМ при одновременном сохранении повышенных механических свойств. Известный на сегодняшний день технологический прием повышения теплопроводности ПКМ, в основу которого заложено насыщение неотвержденной полимерной матрицы дисперсными наполнителями металлической природы, имеет ограниченные возможности и одновременно сопровождается заметным снижением прочностных характеристик ПКМ [1]. Более перспективными представляются методы, основанные на воздействии на расплав дисперснонаполненной полимерной композиции магнитным или электрическим полем [2,3]. Вместе с тем проведенный микроструктурной анализ модифицированных физическими полями ПКМ свидетельствует о том, что в образовавшихся цепочечных структурах, не всегда имеют место непосредственно контактирующие конгломераты из частиц наполнителя. Таким образом, можно сделать вывод, что сохраняется резерв для повышения теплопроводности ПКМ за счет создания более плотно упакованных образований из частиц наполнителя.

Ранее проведенные исследования по формированию свойств ПКМ при волновом воздействии на расплав дисперснонаполнен-ной полимерной композиции [4,5] показали, что резонансное вибрационное воздействие

Попов Виктор Михайлович - ВГЛТА, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 253-73-08

Новиков Алексей Петрович - ВГЛТА, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 253-73-08

Бусарин Эдуард Николаевич - ВГЛТА, канд. техн. наук, ст. преподаватель, тел. (473) 253-61-78 Лушникова Елена Николаевна - ВГЛТА, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 253-73-08

позволяет интенсифицировать фазовые и химические превращения этих многофазных систем. Отсюда появился повод для изучения процесса воздействия на такую полимерную композицию комбинированным физическим полем, когда одновременно прикладывались волновое и магнитное поле. В этом случае можно ожидать более плотной упаковки частиц наполнителя в цепочечных структурах.

Для установления влияния комбинированного воздействия магнитного и волнового поля на формирование структуры ПКМ использовался исследовательский стенд принципиальная схема которого приведена на рис.1. В состав стенда входят электромагнитный индуктор, нагревательное устройство, виброгрохот марки ПЭ - 6800, позволяющий создавать частоту колебаний рабочего стола от 15 до 70 Гц с амплитудой колебаний от 0,25 до 1,5 мм.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для обработки образцов в виде неотвержденных прокладок и клеевых прослоек в волновом и магнитном поле: 1 - обмотка электромагнита; 2 - башма-

ки электромагнита; 3 - нагревательное устройство с образцом; 4 - ярмо; 5 - блок питания электромагнита; 6 - потенциометр; 7 источник питания нагревательного устройства; 8 - вибростенд

В качестве образцов применялись полимерные прокладки в виде дисков диаметром 30 мм и толщиной 1 мм. Заранее приготовленная полимерная композиция с наполнителем

из никелевого порошка ПНК заданной концентрации в неотвержденном состоянии помещалась во фторопластовую кювету, которая располагалась в рабочей ячейке с нагревателем между полюсами электромагнита. Затем проводилась операция по волновой и магнитной обработке образца. В зоне расположения кюветы поддерживалась температура в пределах 50 - 600 С. Время обработки не превышало 30 мин.

Изготавливались также образцы в виде клеевой прослойки толщиной 0,5 - 1 мм между металлическими блоками из стали 30 диаметром 30 мм. Перед склеиванием поверхности субстратов обрабатывалось на плоскошлифовальном станке до чистоты поверхностей с Кг » 3 - 4мкм. Для создания клеевой прослойки

заданной толщины использовались специальные ограничители.

Исследованиям подвергались полимерная композиция на основе эпоксидной смолы ЭДП с отвердителем в виде полиэтиленполиамина (ПЭПА) и клеев ВК - 9 и К - 153 с порошковым наполнителем ПНК.

Изготовленные образцы в виде прокладок и клеевых прослоек в отвержденном состоянии исследовались затем на теплопроводность на установке, функционирующей по методу двух температурно - временных интервалов [6]. Полученные в процессе исследований результаты представлены на графиках рис.2 и 3 в виде кривых зависимостей коэффициента теплопроводности полимерного материала от напряженности магнитного поля при различной концентрации наполнителя и механических колебаниях порядка 20 Гц, создаваемых вибростендом.

О Ю 20 Н-10'4, А/м

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности полимерной прокладки на основе смолы ЭДП с наполнителем ПНК, обработанной в магнитовибрационном поле при концентрации наполнителя: 1 - 10%; 2 - 30%; 3 - 40% от объема смолы; 4 -образец с 40% наполнителя обработан только в магнитном поле

3  X

е Э и

\ " 7

О П 20 н-10'4, А/м

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности клеевой прослойки на основе клея ВК -9 с ПНК, обработанной в магнитовибрационном поле при концентрации наполнителя: 1 - 10%; 2 - 30%; 3 - 40% от объема полимера

Анализируя полученные результаты опытов, можно утверждать, что комбинированное воздействие волновым и магнитным полем на наполненную полимерную композицию в неотвержденном состоянии позволяет значительно повысить теплопроводность отвержденных полимерных прокладок и клеевых прослоек. При этом обработка в волновом и магнитном поле более эффективно, чем только в магнитном поле. Здесь, как отмечалось выше, очевидно сказывается образование при воздействии комбинированного поля более плотноупакованных цепочек из частиц наполнителя. Проведенные эксперименты свидетельствуют также о возможности направленно варьировать свойствами полимерных композиционных материалов путем изменения концентрации наполнителя, напряженности магнитного поля и частоты колебаний.

Помимо теплофизических свойств ПКМ для производственников интерес представляет и информация о формировании их механических свойств под воздействием комбинированных физических полей. С этой целью были проведены исследования микротвердости обработанных полимерных композиций в отвержденном состоянии. Исследовались полимерные композиции из смолы ЭДП и 10% ПЭПА, клеи марок К - 153 и ВК - 9 с полидисперсным наполнителем в виде железного порошка марки ПЖВ.

Изготавливались образцы в виде таблеток диаметром 10 мм и толщиной 3 мм. Для проведения операции по воздействию комбинированным полем использовались фторопластовые кюветы. Микротвердость отвержденных образцов замерялась по стандартной методике на приборе ПМТ - 3. Результаты проведенных испытаний представлены в таблице.

Микротвердость образцов, подвергнутых воздействию магнитоволнового поля

Напряженность магнитного поля H-10,-4 А/м Час- тота коле- баний виб- раци- онно- го поля, гц Объ- емная кон- цен- тра- ция напол ните- ля С,% Микротвердость 2 t, кгс / мм для полимерной композиции

ЭДП +ПЭПА К - 153 ВК -9

0 0 0 10,5 11,0 7,1

0 30 0 9,2 9,1 5,1

0 50 0 8,6 7,8 4,6

12 0 0 11,6 12,4 9,8

12 0 30 10,6 10,4 8,6

12 0 50 9,4 8,9 7,3

12 20 0 12,4 13,7 11,2

12 20 30 11,4 11,8 10,8

12 20 50 10,3 10,1 8,8

24 20 0 14,1 15,1 12,5

24 20 30 12,7 12,7 10,6

24 20 50 11,4 10,9 9,8

Приведенные в таблице результаты опытов по влиянию комбинированного физического поля на микротвердость отвержденной полимерной композиции показывают заметный рост этой механической характеристики. Приведенные сравнительные данные по влиянию магнитного и комбинированного поля на микротвердость свидетельствуют о преимуществе второго. Как и для теплопроводности эффект

роста микротвердости обработанного полимера можно объяснить формированием более упорядоченных структур под действием комбинированного поля.

Предлагаемая технология физического модифицирования ПКМ может быть реализована на большинстве предприятий, специализирующихся на применении полимерных материалов в теплонапряженных технических системах.

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Литература

1. Айбиндер С.Б. Влияние наполнителей на теплофизические, механические и антифрикционные свойства полимеров // Изв. АН Латв. ССР Сер. физ. и техн. наук. 1983. №5. С. 3 - 18.

2. Новиков А.П., Попов В.М. К врпросу о теплопроводности полимеров, подвергнутых воздействию постоянным магнитным полем // Вестник ВГТУ. 2011. Т.7. №2. С. 48 - 49.

3. Попов В.М., Новиков А.П., Лушникова Е.Н. // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2011. №1. С. 72 - 77.

4. Берлин А. А. Принцип создания композиционных полимерных материалов. М.: Химия 1990. 240 с.

5. Ганиев Р.Ф., Берлин А.А., Фомин В.Н. О влиянии волновых эффектов на полимерные композиционные материалы // Докл. АН РФ. Химическая технология. 2002. Т.385. №4. С. 517 - 520.

6. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. Л.: Энергия, 1971. 145 с.

Воронежская государственная лесотехническая академия

FOR CREATION OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS WITH HIGH THERMAL, PHYSYCAL AND MECHANICAL PROPERTIES V^. Popov, A.P. Novikov, E.N. Busarin, E.N. Lushnikova

The influence of magnetic-wave field on the thermal conductivity and microhardness of dispersion-filled polymer composites materials is examined

Key words: polymer materials, thermal-conductivity coefficient, microhardness, magnetic field, wave field, strength