Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

EFFECT OF GLYCERIN ON ELECTRORESISTANCE OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON EXPANDED GRAPHITE AND PLASTIC BINDER

Makarova L.E. 1 Nesterov A.A. 1 Moskalev V.A. 1 Vakhrusheva Yu.N. 1 Vedernikova K.A. 1
1 Perm National Research Polytechnic University
В работе представлены результаты изучения влияния глицерина на электрические свойства (электросопротивление) композиционных материалов на основе терморасширенного графита и полиэтилена. В качестве метода формования испытуемых композиционных материалов использовали плунжерную экструзию. Показано, что электросопротивление полимерно-графитовых образцовснижается при введении в композицию глицерина (до 0,018 Ом•м при концентрации ТРГ – 20% и глицерина - 9% по массе), за счетзамещения части оксидных пленок на поверхностях частиц ТРГ глицерином и формирования между частицами и слоями ТРГ дополнительных токопроводящихконтактов.Экспериментально обнаружено, что при добавлении глицерина концентрация токопроводящего наполнителя может быть уменьшена (с 20% до 15% по массе), при практически неизменном уровне электросопротивления (~0,135 Ом•м). Композиционные материалы ТРГ-полиэтилен с добавлением глицерина могут быть использованы в перспективе в производстве кабельной техники.
The work presents the results of studying of the effect of glycerol on the electrical properties (resistivity) of composite materials based on expanded graphite and polyethylene. As a method for forming composite materials test using ram extrusion. It is shown that the resistivity of the graphite-polymer samples is reduced when administered in a composition of glycerin (up to 0,018 Ohm•m and expanded graphite concentration - 20% of glycerol - 9% by weight), by substituting a part of the oxide films on the surfaces of the expanded graphite formation of glycerine and between the particles and conductive layers expanded graphite additional contacts. It was found experimentally that the glycerol concentration by adding a conductive filler may be reduced (from 20% to 15% by weight) at a substantially constant level of electric resistivity (~ 0,135 Ohm•m). Composite materials graphite-polyethylene adding glycerol can be used in the future in the art of cable manufacture.
specific conductivity
polyethylene
glycerol
composite
extrusion
expanded graphite

В последнее время большое внимание уделяется разработке полимерных композиционных материалов (ПКМ) разного функционального назначения с использованием разнообразных электропроводящих наполнителей. Особый интерес представляет использование в качестве наполнителей графитовых материалов, так как графит химически инертен к агрессивным средам, тепло- и коррозионностоек [2, 6].Так использование терморасширенного графита (ТРГ) в качестве проводящего наполнителя дает возможность получать ПКМ с широким спектром электрических и тепловых характеристик [2]. Однако, высокое содержание наполнителя, как правило, приводит к повышению плотности и снижению механических характеристик композита.Поэтому значительные усилия направлены на разработку композиций, в которых значение концентрации наполнителя минимально [3, 6]. Уменьшить концентрацию наполнителя можно, внедрив в композицию пластификатор (или модификатор), имеющий малое электросопротивление, например, глицерин. Для формования изделий из таких композиций оптимально использовать методы плунжерной или шнековой экструзии, которые позволяют получать низко пористые, легкие и длинномерные изделия различной формы поперечного сечения [4, 5].

Целью данной работы является изучение влияния глицерина на электропроводящие свойства и формирование структуры 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 200С).

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

Таблица 1

Технологии получения композиционных материалов ТРГ-полиэтилен

№ этапа

Технология I

Технология II

0

-

Смачивание порошка ТРГ в глицерине (масс. доля 4,5-9%).

1

Перемешивание порошков полимерного связующего и электропроводящего наполнителя до получения однородной смеси по объему.

2

Предварительный нагрев смеси в муфельной печи вместе с технологической оснасткой до температуры 175-200 °С в течение 10-30 мин. до перехода смеси в пластичное состояние. Продолжительность нагрева зависит от концентрации проводящей составляющей композиции (с увеличением концентрации ТРГ растет время выдержки в печи).

3

Формование образцов цилиндрической формы с помощью технологической оснастки методом плунжерной экструзии.*

*Методика процесса формования и конструкция технологической оснастки подробно рассмотрены в работах [1, 4, 5].

Методом плунжерной экструзии по технологиям I и II были получены образцы цилиндрической формы диаметром 8 мм и высотой до 30 мм. Удельное электрическое сопротивление образцов измеряли 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 20С до 225С, в том числе при повторных нагревах, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Электро- и теплофизические свойства глицерина

Температура, С

Электросопротивление, МОм

1-ый нагрев

2-ой нагрев

3-ий нагрев

20

13,7

13,2

12,5

50

10,9

11,6

11,3

75

10,1

9,5

9,75

100

8,9

8,5

6,3

125

4,4

4,5

4,25

150

3

3,5

3,3

175

1,55

2,2

2,15

200

0,6

1,75

0,37

225

0,42

1,4

0,35

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

1. улучшить смачиваемость проводящего наполнителя и усилить адгезию его частиц к полимерному связующему, посредством внедрения глицерина в поры частиц терморасширенного графита, см. рис. 1;

2. улучшить электропроводящие свойства композиции с помощью формирования дополнительных проводящих контактов между частицами и слоями ТРГ в направлении экструдирования, см. 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

Концентрация ТРГ,

масс. %

Концентрация

глицерина,масс. %

Удельное сопротивление ρ, Ом·м

ТРГ (0,004 )

ТРГ (0,018 )

Без пласти-фикатора (технология I)

С пласти-

фикатором (технология II)

Без пласти-фикатора (технология I)

С пласти-фикатором (технология II)

10

9

32648,17

8427,61

0,183

0,0536

4,5

10534,12

0,1351

15

9

564,79

13,292

0,154

0,0368

4,5

59,163

0,0893

20

9

76,43

1,73

0,093

0,018

4,5

5,324

0,064

14800.jpg

Рис. 1. Микроструктура композиционного образцаТРГ-полиэтилен (концентрацияизмельченного ТРГ - 10% и глицерина - 9% по массе), увеличение 100 крат.

14863.jpg

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, см. 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(см. рис. 2).При введении пластификатора часть оксидных пленок замещается глицерином, а между частицами и слоями ТРГ возникают дополнительные контакты(см. рис. 1). Формируется проводящая структура во всем объеме композита. Однако увеличение концентрации глицерина (12% по массе), при изготовлении композиций по технологии II, приводит к снижению плотности экспериментальных материалов (формируется рыхлая структура) и резкому падению прочностных характеристик.

Выводы

Проведенные исследования показали, что использование глицерина позволяет снизить электросопротивление композиций ТРГ-полиэтилен (до 0,018Ом·м при концентрации ТРГ – 20% и глицерина - 9% по массе) и при необходимости уменьшить концентрацию токопроводящего наполнителя (с 20% до 15% по массе), при практически неизменном уровне электросопротивления (Ом·м).

Рецензенты:

Сиротенко Л.Д., д.т.н., проф. каф. МТиКМ ПНИПУ, г. Пермь.

Матыгуллина Е.В., д.т.н., проф. каф. МТиКМ ПНИПУ, г. Пермь.