Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ПОЛИМЕРА В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Макарова Л.Е. 1 Нестеров А.А. 1 Москалев В.А. 1 Сидорук М.Л. 1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В работе представлены результаты изучения влияния глицерина и температуры внешней среды 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 счет замещения 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). Удельное электросопротивление ρ (Ом•м) исследуемых образцов, содержащих глицерин, на 1-2 порядка меньше удельного сопротивления образцов, изготовленных без добавления глицерина внезависимости от температуры окружающей среды.
электропроводность.
полиэтилен
глицерин
композит
экструзия
терморасширенный графит
1. Белова М.Ю. От «черного мела» к уплотнениям из ТРГ //Арматуростроение. - 2008. - №1 (52). - С. 36-43.
2. 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.
3. Макарова Л.Е., Нестеров А.А., Москалев В.А., Вахрушева Ю.Н., Ведерникова К.А. Влияние глицерина на электросопротивление композиционных материалов на основе терморасширенного графита и полимерного связующего // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №6; URL: www.science-education.ru/120-16102.
4. Нестеров А.А.Формование двухкомпонентных полимерных композиционных материалов на основе терморасширенного графита методом плунжерной экструзии: сб.науч. трудов SWorld. – Вып. 3(36). – Т. 4. – Одесса: КУПРИЕНКО СВ, 2014. - С. 52-56.
5. 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.
6. Устройство для мундштучного формования :Патент на изобретение № 2486056.
7. Полимерные нанокомпозиты: пер. с англ. / под ред. Ю-Винг Май, Жонг-Жен Ю. – М. : Техносфера, 2011. - 687 с.
Сочетание специфических физико-механических, химических и электрических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволяет широко использовать их в различных отраслях техники. В частности, при производстве электропроводящих материалов. Особый интерес представляют полимеры, использующие в качестве наполнителятерморасширенныйграфит (ТРГ), обладающий рядом уникальных свойств: широкий диапазон рабочих температур, высокая химическая стойкость, износостойкость и др.Введение ТРГ в полимер дает возможность получать композиционные материалы с широким спектром электрических и тепловых характеристик [1-3; 7]. Кроме того, усилить электропроводящие свойства композицииможно, внедрив в неепластификатор, имеющиймалое электросопротивление, - глицерин [3].В качестве метода формования для таких ПКМ часто используют плунжерную или шнековую экструзию,которые позволяют получать низкопористые, легкие и длинномерныеизделия различной формы поперечного сечения [3-6].

Целями данной работы являются:

- изучение влияния глицерина на электропроводящие свойства и формирование структуры композиции ТРГ-полиэтилен;

- изучение влияния температуры внешней среды на электропроводящие свойства 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 200 °С).

Получение композиционных материалов ТРГ-полиэтилен проводилось по технологиям, описанным в таблице 1 [3].

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 [5; 6].

 

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

Таблица 2

Электро- и теплофизические свойства глицерина

Температура, С

Электросопротивление, МОм

1-й нагрев

2-й нагрев

3-й 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 смачиваемостьпроводящего наполнителя и усилить адгезию его частиц к полимерному связующему посредством внедрения глицерина в поры частиц терморасширенного графита (рис. 1);

2)                 улучшить электропроводящие свойства композиции с помощью формирования дополнительных проводящих контактов между частицами и слоями ТРГ в направлении экструдирования (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

315,6

0,0536

4,5

10534,12

0,1351

15

9

564,79

13,292

12,54

0,0368

4,5

59,163

0,0893

20

9

76,43

1,73

2,73

0,018

4,5

5,324

0,064

 

14800.jpg

Рис. 1. Микроструктура композиционного образца ТРГ-полиэтилен

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

Значения удельного электрического сопротивления композиций ТРГ-полиэтилен, изготовленных по технологиям I и II (насыпная плотность ТРГ 0,018 ) с учетом изменения концентраций проводящего наполнителя и пластификатора в зависимости от температуры внешней среды,представлены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4

 Значения удельного сопротивления композиций ТРГ-полиэтилен при нагреве

Удельное сопротивление ρ, Ом·м

Концентрация ТРГ,

масс. %

Концентрация

глицерина, масс. %

Н.У.

Температура нагрева T, °С

20

50

100

150

200

10

0

127,9

76,3

42,15

31,7

18,24

4,5

0,142

0,074

0,054

0,05

0,044

15

0

10,01

6,08

4,17

2,73

1,2

4,5

0,079

0,043

0,026

0,017

0,011

20

0

2,34

1,76

1

0,54

0,1

4,5

0,063

0,042

0,024

0,015

0,009

Таблица 5

Значения удельного сопротивления композиций ТРГ-полиэтилен при охлаждении (T=-20 °C)

Удельное сопротивление ρ, Ом·м

Концентрация ТРГ,

масс. %

Концентрация

глицерина, масс. %

Время охлаждения t, мин.

До охлаждения

15

30

45

10

0

147,2

171,4

198

263,2

4,5

0,1423

0,176

0,188

0,373

15

0

11,8

14,62

17,73

21,1

4,5

0,093

0,128

0,157

0,194

20

0

2,34

2,44

2,54

2,65

4,5

0,070

0,088

0,107

0,143

 

Из таблиц 4 и 5 видно, что для композиций ТРГ-полиэтилен, изготовленных как по технологии I, так и по технологии II, прослеживается закономерность роста удельного сопротивления при охлаждении образцов и снижения электросопротивления при их нагреве. Важно отметить, что электросопротивление испытуемых образцов изПКМ, содержащих пластификатор,значительно меньшеэлектросопротивления образцов, изготовленных без добавления глицерина, как при высоких, так и при низкихтемпературах окружающей среды.

Выводы

Проведенные исследования показали следующее.

1.                  Использование глицерина позволяет снизить электросопротивление композиций ТРГ-полиэтилен (до 0,018 Ом·м при концентрации ТРГ – 20% и глицерина - 9% по массе) и при необходимостиуменьшить концентрацию токопроводящего наполнителя (с 20 до 15% по массе)при практически неизменном уровне электросопротивления( Ом·м).

2.                  Удельное электросопротивление ρ (Ом·м) исследуемых образцов, содержащих глицерин, на 1-2 порядка меньше удельного сопротивления образцов, изготовленных без добавления глицерина внезависимости от температуры окружающей среды.


Рецензенты:

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

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


Библиографическая ссылка

Макарова Л.Е., Нестеров А.А., Москалев В.А., Сидорук М.Л. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ПОЛИМЕРА В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=22894 (дата обращения: 20.02.2020).

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 = 1.074