УДК 53 (539.8)
Антонова Н.М.
Канд.техн.наук, доцент кафедры естественно - научных дисциплин Каменского института
(филиала) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) (ЮРГТУ-Н11И), г. Каменск-Шахтинский
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Zn И Al-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ МАТРИЦЫ
Введение
Исследование функциональных свойств защитных композиционных покрытий представляет большой научный и практический интерес. Использование различных видов наполнителей позволяет получать новые материалы с возможностью селективного выбора свойств, необходимых для нужд конкретной области применения. Композиты, содержащие дисперсные металлические частицы и наночастицы в диэлектрической матрице обладают рядом физических свойств, отличающих их от обычных материалов [1, 90]. Анализ литературных и патентных данных показывает, что применение наполненных полимерных комплексов на основе целлюлозной матрицы натрий - карбоксиметилцеллюлозы (Na -КМЦ), является сравнительно новым направлением формирования устойчивых к агрессивным средам полимерных композиционных материалов [2, 102; 3, 76]. В настоящий момент физические свойства наполненных металлическими порошками композитов на основе Na - КМЦ изучены недостаточно, что делает актуальным проведение исследования свойств и структурных особенностей таких материалов.
Цель работы - изучить влияние исходных компонентов композиционных покрытий (КП) с полимерной матрицей натрий - карбоксиметилцеллюлозой (Na-КМЦ), наполненной дисперсными порошками цинка ПЦ-1, алюминия АСД-1 на электрическую прочность (Епр) этих материалов.
Материалы и методика исследований
Объектами исследований служили КП толщиной 50 мкм. Их получали смешиванием гелеобразного водного раствора Na-КМЦ с пластификатором (глицерином) и частицами металлического порошка. Для получения образцов толщиной не более do 50 мкм порошок цинка был просеян на ситах с размером ячейки 50 мкм, с целью отсева частиц, имеющих больший диаметр. Рассев порошка производили на электростатическом анализаторе ЭЛСА -2. Нанесенный на фторопластовую подложку состав высушивали при соответствующей температуре [4, 1; 5, 1].
Подготовку пленочных образцов КП и определение электрических характеристик осуществляли по методике [6, 213]. Электрическая прочность (пробой) оценивалась при температуре 20+2 0С на высоковольтной установке УВИ-2 отношением пробивного напряжения однородного электрического поля к толщине образца покрытия.
Статистический анализ результатов осуществляли с помощью регрессионного метода. Эксперимент проводили по ортогональному плану второго порядка [7, 184], факторами варьирования были: концентрация водного раствора Na-КМЦ (С№-кмц= 1,5^3 ,0 %); содержание соответствующего металлического порошка - Zn или Al (Смет= 0^5,0 г) и пластификатора - глицерина (Сгл=0^5 ,0 г). Диапазон их изменения выбран на основании данных, полученных в ходе предварительных исследований. Функцией отклика в эксперименте служила величина электрической прочности УЕ.
Морфологические особенности структуры КП изучали с помощью электронно-сканирующего микроскопа Quanta 200 в спектре вторичных и рассеянных электронов.
Результаты и их обсуждение
В результате статистической обработки экспериментальных значений электрической прочности получены уравнения регрессии (1)-(2) адекватно описывающие влияние исследуемых факторов в безразмерном масштабе на величину электрического пробоя композиционных материалов с Zn и А1:
Y(Zn) = 0,48 - 0,06 • Х1 - 0,07 • Х2 + 0,05 • Х3 +
+ 0,05 • Х1 • Х2 - 0,04 • Х2 • Х3 (1)
(Sy2=0,01; F р =3,23);
Y(A1) = 1,81 - 0,36 • Х2 - 0,25 • Х3 - 0,23 • Х1 • Х3 (2)
^=0,07; F р =4,57)
где Х1, Х2, Х3 -кодированные значения факторов: №-КМЦ, металла (Zn или А1) и глицерина; Sy2-дисперсия воспроизводимости при уровне значимости 0,05; F-критерий Фишера.
По уравнениям регрессии в окрестности оптимального режима был проведен анализ параметрической чувствительности процесса. Для композиционных материалов с Zn и А1 увеличение концентрации №-КМЦ и содержания металла приводит к уменьшению электрической прочности от 2,50 МВ/м до 0,50 МВ/м и от 2,40 МВ/м до 0,38 МВ/м соответственно (центр исследуемого диапазона). Повышение содержания глицерина в композитах практически не влияет на электрическую прочность КП с Zn (0,41 ^0,55 МВ/м), и уменьшает ее для КП с А1 (2,16^1,46 МВ/м).
В пределах исследуемых диапазонов при различных сочетаниях факторов наиболее высокую электрическую прочность обеспечивает КП с А1 (3,19^0,20 МВ/м), и низкую - с Zn (0,92^0,24 МВ/м). Таким образом, используя порошки А1, Zn можно задавать различные уровни электрической прочности для исходной матрицы №-КМЦ с глицерином.
Для анализа процессов совместного структурообразования сочетаний металлических порошков Zn и А1 с №-КМЦ и глицерином и влияния этих процессов на величину электрической прочности КП был проведен электронно-микроскопический анализ образцов покрытий в растровом электронном микроскопе методами склерометрии.
Результаты электронно-микроскопического анализа показали, что матрица на основе №-КМЦ характеризуется слоистой структурой с преимущественной ориентацией в одном направлении [8, 43]. Добавленный глицерин образует поперечные ступеньки, а частицы металла плотно внедрены в матрицу, обеспечивая ее однородность. Микрофотографии фрагментов поверхностей КП с частицами А1, Zn приведены на рис.1.
а) б)
Рис. 1. Фрагмент покрытия с частицами: а) - А1; б) - Zn
Оксидная пленка на частицах А1 (рис.1, а) тонка, дефектов практически не имеет. Пленки на частицах Zn (рис.1, б) отличаются большей толщиной, рыхлостью и локальными дефектами, которые служат зонами зарождения трещин и расслоений в КП и обуславливают более низкие механические характеристики этих материалов по сравнению с А1 -наполненными. Электрическая прочность зависит от пористости покрытий, дефектности структуры, снижение этих факторов способствует росту пробивного напряжения [6, 212]. Поэтому более высокие значения пробоя имеет композиционное покрытие, обладающее и более высокими механическими характеристиками - с порошком А1. Пластификатор, снижая внутренние напряжения в материале, способствует снижению трещинообразования и увеличивает электрическую прочность. В электрическом отношении КП представляет собой систему металлических проводящих областей, разделенных диэлектрическими зонами. С ростом содержания металла в композиционном материале объем проводящих металлических зон возрастает, и величина пробоя уменьшается. Полимер №-КМЦ имеет достаточно высокие значения электрической прочности, однако, при увеличении его концентрации хрупкость композиционного материала возрастает, что наряду со свойственной ему слоистой структурой, способствующей образованию трещин, приводит к уменьшению электрической прочности. Исключение представляет лишь соотношение исходных компонентов, где содержание Zn максимально. В этом случае рыхлые оболочки частиц представляют собой диэлектрические зоны, что приводит также к росту величины пробоя [9, 14].
Выводы
1. Показана возможность получения композиционных материалов на основе №-КМЦ с порошками Zn, А1 с заданной электрической прочностью.
2. Установлена взаимосвязь между микроструктурой композиционных материалов с порошками Zn, А1 и изменением электрической прочности.
Литература
1. Ю.Е. Калинин и др. // Письма в ЖТФ, 2009, т. 35, вып.1, С.90-97.
2. Труфакина Л.М. // Изв. Томск. Политехн. Университета. 2006. Т. 309. № 5. С.100 -102.
3. Базарнова Н.Г. и др. //Химия растительного сырья. 2005. № 3. С. 75-84.
4. Патент № 2266307 РФ: МПК7 С 08L 1/28, С 09 D 199/00, С 09 J 101/28, B 65 D 90/06. Защитное покрытие для металлических поверхностей/ Н.М. Антонова, О.В. Аксенова, В.И. Кулинич, И.А. Неелова.- 3аявл.23.08.2004; опубл. 20.12.2005, Бюл.№35.
5. Патент №2321610 РФ: МПК ^9D 101/28, ^8L 1/28, B65D 90/06,С08К3/08,С08К5/053. -№ 2007100297/04. /Н.М. Антонова, Г.Г. Мельник.- заявл.09.01.2007;опубл. 10.04.2008, Бюл. № 10.
6. Тушинский Л. И., Плохов А.В., Токарев А.О., Синдеев В.И. Методы исследований материалов: Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. - М.: Мир, 2004.- 384 С.
7. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии, М.: Высшая школа, 1985, -319 С.
8.Антонова Н.М.//Изв.вузов. Порошк.металлургия и функц.покрытия.2009. № 1. С. 40-44.
9. Рыжонков Д.И., Левина В.В., Дзидзигури Э.Л. Ультрадисперсные системы: физические, химические, механические свойства: Учебн.пособие.-М.: МИСиС, 2005.-113 С.