CC BY
62
М.А. Рамазанов*, С. А. Абасов**, З.Э. Мустафаев**,
С.Дж. Керимли**, Х.С. Ибрагимова**
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
*Бакинский государственный университет, ул. З. Халилова, 23, AZ- 1148 ** Институт физики НАН Азербайджана пр. Г. Джавида, 33, г. Баку, AZ1143
Композиции на основе полимеров и добавок (пьезокерамических, магнитных и т.д.) широко применяются в различных устройствах (датчиках, преобразователях и т.д.), а также в энергетическом оборудовании [1-4]. При этом важную роль играют их диэлектрические и прочностные свойства [5-9].
В данной статье изложены результаты исследования диэлектрических (е, tg 5, pv) и прочностных (а, Епр) свойств композиций на основе полипропилена (ПП), полиэтилена (ПЭ) и поливинилиденфторида (ПВДФ) с пьзокерамическими, магнитными добавками. Были использованы пьезокерамики типа ПКР5 и ПКР8, которые имеют состав цирконата-титаната-свинца (ЦТС). Пьезокерамике ПКР5 присуща ромбоэдрическая, а ПКР8 - тетрагональная структура. Магнитной добавкой служил NiZnO2.
Композиции были получены методом горячего прессования механической смеси из порошков пьезокерамики, магнитной добавки NiZnO2 и ПП, ПЭ, ПВДФ в отдельности при температуре плавления полимерной матрицы под давлением 15 МПа в течение 10 мин с последующим охлаждением.
Рис. 1. Зависимости е tgS и pv композиций ПЭ+ПКР5 (1), ПЭ+ПКР8 (2)
ПВДФ+ПКР5(3) и ПВДФ+ПКР8 (4) от объемного содержания пьезокерамиков
На рис. 1 представлены зависимости диэлектрической проницаемости е, тангенса угла диэлектрической потери tg 5 и удельного объемного сопротивления pv композиций ПЭ+ПКР5, ПЭ+ПКР8, ПВДФ+ПКР5 и ПВДФ+ПКР8 от объемного содержания пьезокерамики,
© Рамазанов М.А., Абасов С.А., Мустафаев З.Э., Керимли С.Дж., Ибрагимова Х.С., Электронная обработка материалов, 2006, № 5, С. 85-89.
85
причем увеличению количества пьезокерамики соответствует такое же уменьшение количества полимерной матрицы. Из рис. 1 видно, что с ростом объемного содержания пьезокерамики наблюдается увеличение диэлектрических характеристик е и tg 5, и уменьшение величины pv, причем при данном объемном содержании пьезокерамики значения е, tg 5 и pv зависят как от природы полимерной матрицы, так и от типа пьезокерамики.
На рис. 2 показаны зависимости механической прочности а и электрической прочности Епр композиции ПЭ+ПКР5 от объемного содержания пьезокерамики. Как видно из рисунка, с ростом объёмного содержания пьезокерамики значения а и Епр композиции уменьшаются. Это связано с обволакиванием частицами пьезокерамики полимерной матрицы, в результате чего ослабляется взаимодействие на границе между полимерной матрицей и пьезокерамикой.
Сравнение экспериментальных данных, приведенных на рис. 1 и 2, показывает, что росту величин е и tg 5 композиций соответствует уменьшение значения а и Епр в зависимости от объемного содержания пьезокерамики.
На рис. 3 приведены зависимости е, tg 5 и lg pv композиции ПЭ+ПКР5 в соотношении компонентов 70+30 об.% от напряженности переменного электрического поля, под действием которого осуществлялась электрообработка [10]. Видно, что е и lg pv с ростом напряженности до 11106 В/м увеличиваются, после чего они уменьшаются, однако значение tg 5 с увеличением напряженности до 11106 В/м уменьшается, после чего наблюдается ее небольшой рост.
Рис. 2. Зависимости электрической (2) и механической (1) и прочности композиции ПЭ+ПКР5 от объемного содержания
Рис. 3. Зависимости е (1), lg pv (2) и tg 5(3) композиции ПЭ+ПКР5 от напряженности электрического поля при электрообработке в течение 1 ч
На рис. 4 построены зависимости электрической (а) и механической (Епр) прочности композиции ПЭ+ПКР5 в соотношении компонентов 70+30 об.% от напряженности переменного поля электрообработки. Как видно, и здесь наблюдается максимальное увеличение Епр и а после обработки в электрическом поле напряженностью 107 В/м.
В то же время и здесь обработка в электрическом поле под действием более высокого напряжения приводит к уменьшению как электрической, так и механической прочности композиции.
86
Рис. 4. Зависимости электрической (1) и механической (2) прочности композиции ПЭ+ПКР5 от напряженности электрического поля при электрообработке в течение 1 ч
Из экспериментальных данных, приведенных на рис. 3 и 4, видно, что росту а и Епр соответствуют увеличение £, lg pv и уменьшение tg5 в зависимости от напряженности электрического поля электрообработки. Из вышеприведенных экспериментальных результатов следует, что увеличение а и Еир композиции после обработки в электрическом поле связано с процессом термического прогрева полимерной матрицы и изменением структуры приграничного слоя. Дальнейшее уменьшение а и Епр в зависимости от Еоб, по нашему мнению, связано с разрушением полимера и увеличением объемного заряда. Увеличение объемного заряда приводит к росту проводимости, а это уменьшает электрические прочности композиции. Таким образом, наблюдаемые изменения прочностных и диэлектрических свойств полимерных композиций объясняются изменением физической структуры приграничного слоя композиции под действием зарядов, образующихся в процессе электрообработки. На рис. 5 представлены зависимости механической прочности а композиций ПЭ+№2п02 и ПВДФ+№2п02 от объемного содержания магнитной добавки NiZnO2 до и после обработки в магнитном поле напряженностью 2,4 кЭ в течение 0,5 ч. Видно, что с увеличением количества магнитной добавки (соответственно с уменьшением количества полимерной матрицы) механическая прочность а уменьшается. Такой ход зависимости а от объемного
содержания магнитной добавки NiZnO2 связан с увеличением удельной поверхностной площади наполнителя и уменьшением доли полимерной матрицы композиции, так как полимерная матрица играет роль связующего. Из рисунка также видно, что действие магнитного поля приводит к уменьшению механической прочности композиций ПЭ+ NiZnO2 и ПВДФ'+NiZnO^ Изменение механической прочности после обработки композиции в постоянном магнитном поле, по нашему мнению, связано с поляризацией магнитной частицы, в результате чего происходит разупорядочивание структуры (возбуждение макромолекул, локальная поляризация).
В таблице приведены значения удельного объемного сопротивления pv полимерных композиций ПЭ+NiZnO2 и ПВДФ+NiZnO2 в зависимости от объемного содержания магнитной добавки NiZnO2. Видно, что и здесь значение pv уменьшается, что соответствует уменьшению механической прочности а (рис. 5).
Материал Ф, об.% 10 20 30 40 50
ПЭ+ NiZnO2 р„,Ом-м 3,4 - 1012 8,8 - 1011 4,7 - 1011 4 - 1011 3,9 - 1011
ПВДФ+ NiZnO2 р„,Ом-м 3,8 - 1012 2,9 - 1012 8,8 - 1011 6 - 1011 5,7 - 1011
Таким образом, из вышеприведенных экспериментальных данных следует, что между изменениями диэлектрических и прочностных свойств полимерных композиций в зависимости от объемного содержания вводимых добавок существует корреляция, а именно увеличению диэлектрической проницаемости £ и тангенса диэлектрической потери tg5 соответствует уменьшение удельного сопротивления pv, механической прочности а и электрической прочности Епр. Однако наблюдаемое увеличение значения £ в зависимости от напряженности поля при электрообработке и ее корреляцию со значениями pv, а и Епр можно объяснить, как нам кажется, действием зарядов во время электрообработки.
87
Рис. 5. Зависимости механической прочности композиций ПЭ+ NiZnO2 (а) и ПВДФ-+№2п02 (б) от объемного содержания добавки NiZn02 до (1) и после (2) обработки в магнитном поле напряженностью 2,4 кЭ в течение 0,5 ч
Рис. 6. Зависимости механической (1) и электрической (2) прочности композиции ПП + ПЭ от количества ПЭ
На рис. 6 приведены зависимости механической а и электрической Епр прочности композиций полимер-полимер, а именно полипропилен-полиэтилен (ПП+ПЭ) от количества ПЭ (соответственно и от ПП). Как видно, при соотношении компонентов 80+20 % мас. а и Е максимально увеличиваются, а при больших содержаниях ПЭ (соответственно при меньших содержаниях ПП) а и Епр уменьшаются, приближаясь к насыщению. Максимальные значения величин а и Епр при соотношении компонентов 80+20 % мас. объясняются, с одной стороны, увеличением доли аморфной части, а с другой -образованием мелкосферолитных структур [11]. Известно, что с увеличением количества аморфной доли прочностные свойства возрастают, так как часть полимерных цепей, проходящих в аморфной области, являются основными несущими нагрузки. Также известно, что образование мелкосферолитных структур приводит к более равномерному распределению внешних нагрузок. В результате этого наблюдаются увеличения прочностных свойств композиции ПП+ПЭ при соотношении компонентов 80+20 % мас. [11].
ЛИТЕРАТУРА
1. Шахтахтинский М.Г., Гусейнов Б.А., Курбанов М.А., Кулиев А.О. Пироэлектрические свойства полимерных композиций на основе ПВДФ-ЦТС-19 // ФТТ. 1983. Т. 25. В.12. С. 3722-3723.
2. Шахтахтинский М.Г., Гусейнов Б.А., Курбанов М.А. Пьезоэлектрические свойства полимерных композиций с сегнетоэлектрическим наполнителем // Электронная техника, сер. 6. Материалы, 1984. В.8 (193). С. 76-78.
3. Ramazanov M.A., Panakhova Z.G. Piezocomposite sensor for registration artery pulse wave" // Instruments and Experimental Techniques. 1997. V.40. № 5. P. 708-709.
4. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону: изд. РГУ, 1983, с. 154.
5. Абасов С.А., Рамазанов М.А. Влияние термообработки на прочностные и диэлектрические свойства полимерных композиций // Fizika, 1999. В.5. № 2. С. 11-13.
88
6. Рамазанов М.А., Абасов С.А. Электрические прочностные свойства на основе полимеров и пьезокерамик. Проблемы энергетики. 2001. № 2. С. 86-89.
7. Abasov S.A., Ramazanov M.A., Mustafaev Z.E. The mechanical and electric durabilities of polymer compositions on the base of polyvinilidenftoride and piezoceramics // Fizika. 2001. V. 7. P. 24-26.
8. Ramazanov M.A., Абасов С.А., Мустафаев З.Е. Influenge of electrothermopolarisation on the strength characteristics of polymer-piezoelectricfase compositions // New technologies for the 21st century. 2001. № 6. P. 26-28.
9. Мустафаев З.Э., Рамазанов М.А., Абасов С.А. Влияние зарядового состояния на электрическую и механическую долговечности композиций на основе поливинилиденфторида и пьезокерамики // Известия НАН Азербайджана. Cер. физ.-мат. и техн. наук. 2002. № 2. C. 26-29.
10. Абасов С.А., Рамазанов М.А., Ибрагимова Х.С., Мустафаев З.Э. Влияние предварительной обработки под действием электрического поля на прочностные свойства композиции на основе полиэтилена и пъезокерамики // Физика и химия обработки материалов. 2003. № 5. C. 87-88.
11. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. Москва: Наука, 1974. 560 с. (см.с.284).
12. Абасов С.А., Мамедов Ш.В., Алекперов В.А., Велиев Т.М. Исследование прочностных свойств и структуры композиции на основе полипропилена и полиэтилена // Fizika, 1995. В.1. № 1. С. 50-55.
Summary
Поступила 28.03.06
Are investigated dielectrics (dielectric permeability of s, tangents of a corner of dielectric loss tagS, specific volumetric resistance pv) and strengths (mechanical strengths о and electrical strength E) properties of compositions on the basis of polymers (of polypropylene, polyethylene and polyvinylidentflouride) and piezoceramics, magnetic additives. The mechanisms of change dielectrics (s, tagS, pv) and strength (о, E) properties of polymeric compositions are given depending on the volumetric contents of the entered additives.
89
