Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НАТУРАЛЬНОГО ГРАФИТА И ПОЛИЭТИЛЕНА

Нестеров А.А. 1 Макарова Л.Е. 1 Москалев В.А. 1 Вахрушева Ю.Н. 1 Ведерникова К.А. 1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В работе представлены результаты изучения электрических свойств (электросопротивления) композиционных материалов на основе натурального графита и полимерного связующего (полиэтилена) в зависимости от типа и концентрации проводящего наполнителя. В качестве метода формования испытуемых композиционных материалов использовали плунжерную экструзию. Показано, что полимерно-графитовые образцы являются проводниками электрического тока с массовой концентрацией наполнителя ≥5%. Экспериментально обнаружено, что композиция графит-полиэтилен имеет наименьшее удельное электросопротивление при использовании в качестве наполнителя терморасширенного графита. Измельчение частиц ТРГ положительно сказывается на электропроводящих свойствах композиции, за счет увеличения контактной поверхности частиц и формирования дополнительных связей между слоями графита в направлении экструдирования.
терморасширенный графит
экструзия
композит
полиэтилен
удельная электропроводность.
1. Вовченко Л.Л., Мацуй Л.Ю., Мельник Л.И., Стельмах О.И., Свидерский В.А. Электросопротивление композиционных материалов на основе терморасширенного графита и кремнийорганического связующего. Перспективные материалы. 2002. №2. С. 63-68.
2. Белова М.Ю. От “черного мела” к уплотнениям из ТРГ. Арматуростроение. 2008. №1 (52). С. 36-43.
3. Нестеров А.А. Формование двухкомпонентных полимерных композиционных материалов на основе терморасширенного графита методом плунжерной экструзии. Сборник научных трудов SWorld. – Выпуск 3(36). Том 4. – Одесса: КУПРИЕНКО СВ, 2014. С. 52-56.
4. Нестеров А.А., Москалев В.А., Макарова Л.Е. Получение полимерных композиционных материалов с ТРГ-наполнителем методом экструзии. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2012. Т. 14. № 2. С. 37-40.
5. Патент на изобретение № 2486056 Устройство для мундштучного формования.
6. Полимерные нанокомпозиты: пер. с англ. / Под ред. Ю-Винг Май, Жонг-Жен Ю. - Москва: Техносфера, 2011. 687 с.

Разработка полимерных композиционных материалов (ПКМ) является актуальным направлением исследований для различных отраслей машиностроения. В частности, при производстве электропроводящих материалов. Полимерные материалы обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Однако включение в полимерную матрицу частиц, проводящего наполнителя приводит к увеличению электропроводности получаемых композитов [2, 6]. Применение натурального графита в качестве электропроводящего наполнителя для полимерных материалов и использование для их формования высокопроизводительной экструзии (шнековой или плунжерной) позволяет получать легкие и экономичные композиционные материалы, обладающие заданным уровнем электропроводности и необходимыми прочностными характеристиками [3, 4]. Повышенный интерес к таким проводящим полимерно-графитовым композитам обусловлен их широкими возможностями для использования в производстве электротехнического оборудования, с целью повышения его надежности, экономичности и экологичности.

Целями данной работы являются:

- экспериментальный подбор наполнителя из натурального графита для полиэтилена низкой плотности, необходимого для получения оптимальной структуры формуемого композита;

- изучение влияния наполнителя на электропроводящие свойства композита.

Материал и методы исследования

Исходные материалы:

- порошок полиэтилена высокого давления с дисперсностью частиц до 1 мм (насыпная плотность 0,54 ) в качестве полимерного связующего;

- порошок измельченного природного крупночешуйчатого графита (насыпная плотность 0,65 ), интеркалированный (окисленный) серной кислотой графит (насыпная плотность 0,65), терморасширенный графит неизмельченный (насыпная плотность 0,004 ) и измельченный (насыпная плотность 0,018 ) в качестве электропроводящего наполнителя.

Получение композиционных материалов натуральный графит-полимер проводилось по технологии, описанной в таблице 1.

Таблица 1

Технология получения композиционных материалов натуральный графит-полимер

№ этапа

Выполняемые действия

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.

3

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

*В зависимости от вида и концентрации проводящей составляющей композита. С увеличением концентрации натурального графита растет время выдержки в печи.

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

Удельное электрическое сопротивление полученных образцов измеряли четырехзондовым методом на постоянном токе. Измерения проводили при двух противоположных направлениях тока через образец. Сопротивление образцов определяли в направлении экструзии (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 50-400 крат.

Результаты исследования и их обсуждение

При изучении проводящих свойств порошков измельченного исходного графита, интеркалированного графита (ИГ) и терморасширенного графита (ТРГ) было установлено, что их удельное электрическое сопротивление отличается незначительно (в пределах 5-15%), составляя в среднем Ом·м.

В результате плунжерной экструзии были получены образцы цилиндрической формы диаметром 8 мм и высотой до 30 мм. Значения удельного сопротивления ρ от концентрации проводящего наполнителя представлены в таблице 2.

Таблица 2

Значения удельного сопротивления ПКМ с графитовыми

наполнителями различного состояния

Наполнитель

Концентрация,

масс. %

Удельное сопротивление ρ, Ом·м

Природный графит

50*

0,8375

ИГ

50*

1,34

ТРГ

(пух)

10

11557,5

15

22,5125

20

2,5125

ТРГ

(измельченный)

5

282,25

7

0,512

10

0,17

15

0,155

20

0,082

Из представленных в таблице 2 результатов следует, что наилучшими электропроводящими свойствами обладают композиции ТРГ-полиэтилен, которые уже при небольших концентрациях ТРГ (5-10%) имеют относительно малое электрическое сопротивление. Данный результат можно объяснить тем, что в процессе экструзии частицы ТРГ ориентируются одинаково, образуя слоистую структуру параллельно направлению экструдирования, что, в конечном итоге, приводит к уменьшению электросопротивления вдоль оси испытуемых образцов, см. рис. 1, а. Кроме того, частицы ТРГ имеют развитую рельефную поверхность, что обуславливает крепкие адгезионные связи между электропроводящей составляющей и полимерной основой, см. рис. 1, б. Особенно это относится к композициям, содержащим измельченные частицы терморасширенного графита.

а)

б)

Рис. 1. Микроструктура композиционного образца

ТРГ-полиэтилен (массовая доля ТРГ 10%):

а) расположение слоев ТРГ - С в направлении экструзии (х100);

б) адгезия связующего - С к наполнителю - Н (х50).

ПКМ, полученные на основе измельченного природного крупночешуйчатого графита и интеркалированного графита, имеют достаточно большое электросопротивление. Причем определить значение удельного сопротивления авторам удалось лишь при концентрации наполнителей не менее 50% по массе. Существенное повышение электросопротивления при использовании таких наполнителей можно объяснить наличием изолирующих пленок на частицах графита и зазоров между ними, заполненными полимером, блокирующим частицы графита. Кроме того, частицы ИГ при нагреве смеси терморасширяются (степень расширения зависит от температуры и скорости нагрева), что приводит к разрывам слоев графита в композите и, следовательно, повышению электросопротивления, см. рис. 2.

а)

б)

Рис. 2. Разрывы (Р) между графитовыми слоями композиции

ТРГ-полиэтилен: а) увеличение 50 крат; б) увеличение 400 крат.

Выводы

Проведенные исследования показали, что:

  1. Применение метода плунжерной экструзии позволяет получать электропроводящие композиции графит-полиэтилен с массовой концентрацией наполнителя .
  2. Композиция графит-полиэтилен имеет наименьшее удельное электросопротивление при использовании в качестве наполнителя терморасширенного графита.
  3. Увеличение насыпной плотности ТРГ положительно сказывается на электропроводящих свойствах композиции, за счет увеличения контактной поверхности частиц и формирования дополнительных связей между слоями графита в направлении экструдирования.

Рецензенты:

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

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


Библиографическая ссылка

Нестеров А.А., Макарова Л.Е., Москалев В.А., Вахрушева Ю.Н., Ведерникова К.А. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НАТУРАЛЬНОГО ГРАФИТА И ПОЛИЭТИЛЕНА // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16161 (дата обращения: 24.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252