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:
- Применение метода плунжерной экструзии позволяет получать электропроводящие композиции графит-полиэтилен с массовой концентрацией наполнителя
. - Композиция графит-полиэтилен имеет наименьшее удельное электросопротивление при использовании в качестве наполнителя терморасширенного графита.
- 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: https://science-education.ru/ru/article/view?id=16161 (дата обращения: 27.04.2025).