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

*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

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.