CC BY
10
УДК 621.1.016
К СОЗДАНИЮ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОВЫШЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СОВМЕСТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ
И ВИБРОВОЛНОВЫМИ ПОЛЯМИ
© 2018 Н.В. Мозговой1, В.М. Попов2, Д.В. Попов2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова,
г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается задача повышения теплофизических характеристик материалов на основе клеевых соединений. При эксплуатации теплонапряженных узлов технических систем, включающих клеевые соединения, требуется повышенная теплопроводность клеевых прослоек. Для решения этой задачи предложен и апробирован экспериментально метод повышения теплопроводности клеевых прослоек соединений, в основу которого заложен эффект от совместного воздействия электрическими и виброволновыми полями на клеевые прослойки, сформированные на основе эпоксидного клея с металлическим наполнителем. При воздействии магнитными или электрическими полями на клеевые прослойки повышение их теплопроводности объясняется образованием теплопроводящих цепочечных структур из металлических частиц наполнителя. Однако по результатам рентгеноструктурного анализа в этом случае плотность упаковки частиц наполнителя несовершенна. Этим обстоятельством продиктована необходимость исследования комплексного воздействия разнородными физическими полями на теплопроводность прослоек клеевых соединений. В результате показано, что на теплопроводность клеевой композиции оказывает влияние природа наполнителя и его концентрация, напряженность электрического поля и частота механических колебаний. Причем набольший эффект наблюдается при варьировании напряженности электрического поля
Ключевые слова: коэффициент теплопроводности, клеевая композиция, напряженность электрического поля, частота виброколебаний
Введение
Интенсивное развитие науки о полимерах привело к созданию широкого набора полимерных клеев, используемых в различных областях техники [1, 2]. Появилась уникальная возможность замены традиционных способов соединений конструкций по многим показателям более предпочтительными клеевыми соединениями. Последние находят широкое применение в авиационной, космической, электротехнической,
строительной, автомобильной и других отраслях современного производства.
К соединениям на клеях в процессе эксплуатации помимо надежной прочности предъявляется и ряд других требований. Так, в процессе эксплуатации теплонапряженных технических систем с составными элементами, скрепленными клеевыми соединениями, требуется хорошая теплопроводность через клеевые прослойки. Однако за счет низкой теплопроводности клея на пути тепловых потоков возникают термосопротивления, приводящие к перегреву отдельных элементов конструкций и в целом систем [3].
Для снижения термосопротивлений в зоне клеевых соединений применяются клеи,
наполненные металлическими порошками. Однако насыщение клеев дисперсными металлическими наполнителями даже при высокой концентрации не позволяет повысить коэффициент теплопроводности клея выше 0,6...0,7 Вт/мК.
При этом введение металлического наполнителя в клей заметно снижает такой существенный для клеевых соединений показатель, как их прочность [4]. Таким образом, для создания соединений на клеях с клеевыми прослойками повышенной теплопроводности требуется разработка принципиально новой технологии.
Если исходить из классических представлений теории физико-химии полимеров [5], то можно утверждать, что определяющее влияние на формирование структуры в дисперснонаполненных системах оказывает процесс взаимодействия полимера с наполнителем. Очевидно, что наибольшую проводимость клеевой прослойки на основе наполненного клея можно достичь, если энергия взаимодействия частиц наполнителя между собой будет больше энергии взаимодействия кинетических единиц полимерной основы клея друг с другом или энергии взаимодействия кинетических единиц
полимера с частицами наполнителя. Для создания более высокого энергетического взаимодействия между частицами
наполнителя можно рекомендовать внешнее воздействие физическими полями.
Ранее были разработаны методы модифицирования, в основу которых положены эффекты от воздействия на клеевую прослойку, наполненную металлическим порошком ферромагнитной природы, постоянным магнитным полем [6], или порошком неферромагнитной природы при воздействии электрическим полем [7]. В процессе обработки клеевых прослоек одиночными физическими полями
коэффициент теплопроводности при максимальной напряженности полей: Н=24-104 А/м и Е= 2000 В/см - возрастал до 0,9...1,0 Вт/м-К. Повышение теплопроводности модифицированных воздействием
магнитными или электрическими полями клеевых прослоек объясняется образованием теплопроводящих цепочечных структур, сформированных из частиц наполнителей. Вместе с тем, как показывают данные микроструктурного анализа отвержденных клеевых прослоек, подвергнутых воздействию одиночными физическими полями, плотность упаковки частиц наполнителя в образовавшихся цепочках нельзя считать идеальной [8]. Отсюда можно сделать вывод о возможности дальнейшего повышения теплопроводности клеевых прослоек путем увеличения энергии воздействия физическими полями на наполненную клеевую прослойку.
Повышение плотности
Повышение плотности упаковки частиц наполнителя предлагается осуществлять путем совместной обработки клеевой прослойки электрическими и виброволновыми полями. Воздействие электрическим полем на прослойку открывает возможность
использовать наполнители неферромагнитной природы (алюминиевые, медные, латунные порошки), обладающие более высоким коэффициентом теплопроводности по сравнению с порошками ферромагнитной природы (железные, никелевые порошки). Дополнительное воздействие на клеевую прослойку виброволновым полем должно повысить плотность упаковки частиц наполнителя цепочечных структур клеевой прослойки. Этот вывод подтверждается
положениями работ [9, 10] об эффективности вибровоздействия на наполненные
полимерные композиции в состоянии растворов. Исследованиями установлено повышение агрегативной устойчивости дисперсных систем, что в условиях клеевых прослоек приведет к формированию более плотноупакованных цепочечных структур повышенной теплопроводности.
Экспериментальная апробация
Экспериментальная апробация
рассматриваемого метода осуществлялась на высоковольтной установке, позволяющей создавать в рабочей ячейке с образцом электрическое поле напряженностью до 2000 В/см. Вибровоздействие на образец с клеевой прослойкой осуществлялось с помощью виброгрохота ПЭ-6800, создающего частоту колебаний рабочего стола от 15 до 70 Гц с амплитудой колебаний от 0,25 до 1,5мм. В качестве исследуемых образцов
использовались металлические пластины из стали марки Сталь 30 в форме дисков диаметром 30 мм и толщиной 1мм. Между дисками помещался клей на основе эпоксидной смолы ЭДП с отвердителем ПЭПА (полиэтиленполиамин) и наполнителем в виде алюминиевого порошка дисперсностью d=15...21мкм или латунного порошка с d =19.. ,24мкм. Концентрация наполнителя выдерживалась в пределах 20% и 30% от объема полимера. Толщина клеевой прослойки поддерживалась с помощью специальных ограничителей на уровне 1 мм.
Образец с неотвержденной клеевой прослойкой помещался в рабочую ячейку установки, расположенную между
электродами, и смонтированную на вибростенде. После включения вибростенда и высоковольтной установки производилась обработка образца в комбиниированном поле со значениями напряженности электрического поля от 0 до 2150 В/см и частотой виброколебаний вибростенда 16 и 20 Гц. Время обработки на вибростенде составляло 10 минут и в электрическом поле 20 минут.
Таблица 1
Зависимость коэффициента теплопроводности клеевой прослойки на основе клея ЭДП+ПЭПА и алюминиевого порошка от напряженности электрического поля и частоты виброколебаний при различной концентрации наполнителя
Коэффициент теплопроводности Вт/м-К при напряженности электрического поля Е, В/см Концентрация наполнителя, С, %
20 30
Частота виброколебаний, Гц
16 20 16 20
0 0,34 0,37 0,43 0,44
360 0,46 0,51 0,56 0,64
760 0,54 0.60 0,64 0,73
1100 0,68 0.76 0,82 0,89
1520 0,77 0,83 0,97 0,83
1800 0,85 0,97 0,95 1,21
2150 0.72 0,83 0,79 0,97
Таблица 2
Зависимость коэффициента теплопроводности клеевой прослойки на основе клея ЭДП+ПЭПА и латунного порошка от напряженности электрического поля и частоты виброколебаний при различной концентрации наполнителя
Коэффициент теплопроводности Вт/м-К при напряженности электрического поля Е, В/см Концентрация наполнителя, С, %
20 30
Частота виброколебаний, Гц
16 20 16 20
0 0,31 0,35 0,38 0,41
360 0,41 0,46 0,48 0,56
760 0,50 0.57 0,60 0,64
1100 0,61 0.66 0,72 0,79
1520 0,69 0,75 0,80 0,86
1800 0,77 0,84 0,83 0,94
2150 0.71 0,78 0,77 0,79
Обработанные образцы помещались затем в термошкаф, где при температуре в 40 градусов выдерживались в течение суток. Полученные таким образом образцы исследовались на теплопроводность по методу двух температурновременных интервалов [11]. Результаты проведенных экспериментов представлены в табл. 1 и 2.
Заключение
Показано, что на теплопроводность клеевой прослойки оказывает влияние природа наполнителя, напряженность электрического поля и частота механических колебаний. Из опытов видно, что теплопроводность клеевых прослоек, сформированных на основе композиции с наполнителями в виде алюминиевого или латунного порошков с повышением напряженности электрического поля и частоты механических колебаний, возрастает. При этом за счет более высокой теплопроводности алюминиевого порошка, по сравнению с латунным, теплопроводность клеевой прослойки с алюминиевым порошком выше.
Наблюдаемое снижение теплопроводности клеевой прослойки при напряженности электрического поля Е=2150 В/см можно объяснить электрическим пробоем, приводящим к образовавшихся мостиковых частиц наполнителя.
Следует отметить, что метод модифицирования представляется сложным в может найти широкое применение различных отраслях техники.
разрушению структур из
предлагаемый клея не реализации и в
Литература
1. Кардашов Д.А., Петрова А.П. Полимерные клеи. М.: Химия, 1983. 256 с.
2. Вильков Ж.Ж. Клеевые соединения. М.: Техносфера , 2007. 384 с.
3. Попов В.М. Теплообмен через соединения на клеях. М.: Энергия, 1974. 387 с.
4. Айбиндер С.Б., Андреева Н.Г. Влияние наполнителей на теплофизические, механические и антифрикционные свойства полимеров // Изв. АН Лат ССР. Сер. Физ. и техн. наук. 1983. № 5. С. 3-18.
5. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполненных полимеров. М.: Химия, 1991. 259 с.
6. Новиков А.П., Попов В.М. К вопросу о теплопроводности полимеров, подвергнутых воздействию постоянным магнитным полем // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 2. С. 48-49.
7. Попов В.М., Остроушко М.Н. Теплопроводность полимерных композиционных материалов, обработанных в постоянном электрическом поле // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2005. Т. 1. № 3. С. 47-49.
8. Попов В.М., Дорняк О.Р. Соединения на клеях, модифицированных воздействием физических полей. Воронеж: ВГЛТУ, 2016. 128 с.
9. Ганиев Р.Ф., Берлин А.А., Фомин В.Н. О влиянии волновых эффектов на полимерные материалы // ДАН. 2002. Т. 385. № 4. С. 517-520.
10. Некоторые особенности формирования свойств полимерных композиционных материалов при волновом воздействии / Р.Ф. Ганиев, А.А. Берлин, Е.Б. Малюкова, В.Н. Фомин // ДАН. 2003. Т. 391. № 6. С. 791-793.
11. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов Л.: Энергия, 1971. 145 с.
12. Моделирование процесса физического модифицирования клеев, применяемых в
деревообработке / В.М. Попов, М.А. Шендриков, Н.В. Мозговой, Э.А. Черников // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. С. 62.
13. Влияние магнитоультразвукового поля на качество клеевых соединений из древесины /
B.М. Попов, А.В. Латынин, Н.В. Мозговой, Р.В. Юдин // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5.
C. 20.
Поступила 02.04.2018; принята к публикации 16.05.2018 Информация об авторах
Мозговой Николай Васильевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. (473) 243-76-70, e-mail: nv_moz@mail.ru
Попов Виктор Михайлович - д-р техн. наук, профессор кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова (394613, Россия, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8), тел. (473) 253-92-85
Попов Дмитрий Викторович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова (394613, Россия, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8), e-mail: popov_dimka@mail.ru
OBTAINING HIGH THERMAL CONDUCTIVITY ADHESIVE JOINTS BY COMBINED EFFECT
OF THE ELECTRIC AND VIBRATION FIELDS
N.V. Mozgovoy1, V.M. Popov2, D.V. Popov2
1 Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2 Voronezh State University of Forestry and Technologies Named after G.F. Morozov, Voronezh,
Russia
Abstract: the problem of increasing the thermophysical characteristics of materials based on adhesive compounds is considered. When operating heat-stressed units of technical systems, including glued joints, an increased thermal conductivity of the adhesive layers is required. To solve this problem, a method for increasing the thermal conductivity of glued interlayers of compounds based on the effect of combined action of electric and vibro-wave fields on adhesive layers formed on the basis of epoxy glue with a metal filler is proposed and tested experimentally. When magnetic or electric fields are applied to glued interlayers, the increase in their thermal conductivity is explained by the formation of heat-conducting chain structures from metal filler particles. However, according to the results of X-ray diffraction analysis, in this case the packing density of the filler particles is imperfect. This circumstance shows the need to investigate the complex effect of heterogeneous physical fields on the thermal conductivity of interlayers of adhesive joints. As a result, it was shown that the thermal conductivity of the adhesive composition is influenced by the nature of the filler and its concentration, the electric field strength and the frequency of mechanical vibrations. Moreover, the greatest effect is observed when the electric field intensity is varied
Key words: adhesive joint, coefficient of thermal conductivity, electric field strength, vibration frequency
References
1. Kardashov D.A., Petrov A.P. "Polymer adhesives" ("Polimernyye klei"), M, Khimiya, 1983, 256 p.
2. Vil'kov Zh.Zh. "Glue joints" ("Kleevye soyedineniya"), Moscow Tekhnosfera, 2007, 384 p.
3. Popov V.M. "Heat transfer through joints on the adhesives" ("Teploobmen cherez soedineniya na kleyakh"), Moscow, Energiya, 1974, 387 p.
4. Aibinder S.B., Andreeva N.G. "Effect of fillers on thermal, mechanical and antifriction properties of polymers", News of the Latvian SSR Academy of Sciences (Izv. ANLat SSR. Ser. Fiz. i tekhn. nauk), 1983, no. 5, pp. 3-18.
5. Lipatov Yu.S. "Physico-chemical bases of filled polymers" ("Fiziko-khimicheskie osnovy napolnennykh polimerov"), Moscow, Khimiya, 1991, 259 p.
6. Novikov A.P., Popov V.M. "On the issue of thermal conductivity of polymers exposed to a constant magnetic field", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2011, vol. 7, no. 2, pp. 48-49.
7. Popov V.M., Ostroushko M.N. "Thermal conductivity of polymer composite materials processed in a constant electric field", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2005, vol. 1, no.3, pp. 47-49
8. Popov V.M., Dornyak O.R. "Connections on the glues modified by influence of physical fields" ("Soedineniya na kleyakh, modifitsirovannykh vozdeystviem fizicheskikh poley"), Voronezh, VSAFT, 2016, 128 p.
9. Ganiev R.F., Berlin A.A., Fomin V.N. "On the influence of wave effects on polymeric materials", Proc. of the Russian Academy of Sciences (DAN), 2002, vol. 385, no. 4, pp. 517-520.
10. Ganiev R.F., Berlin A.A., Malyukova E.B., Fomin V.N. "Some peculiarities of the properties of polymer composite materials under wave action", Proc. of the Russian Academy of Sciences (DAN), 2003, vol. 391, no. 6, pp. 791-793.
11. Volkenstein V.S. "High-speed method for determining thermal characteristics of materials" ("Skorostnoy metod opredeleniya teplofizicheskikh kharakteristik materialov"), Leningrad, Energiya, 1971, 145 p.
12. Popov V.M., Shendrikov M.A., Mozgovoy N.V., Chernikov E.A. "Process modeling of adhesives physical modification used in wood processing", Modern problems of science and education (Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya), 2014, no. 2, pp. 62.
13. Popov V.M., Latynin A.V., Mozgovoy N.V., Yudin R.V. "Influence of magnetoultrasonic fields on the quality of adhesive joint of wood", Modern problems of science and education (Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya), 2013, no. 5, pp. 20.
Submitted 02.04.2018; revised 16.05.2018
Information about the authors
Nikolay V. Mozgovoy, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: nv_moz@mail.ru
Viktor M. Popov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Academy of Forestry and Technologies (8 Timiryazev str., Voronezh 394026, Russia), e-mail: etgvglta@mail.ru
Dmitriy V. Popov, Cand. Sc. (Technical), Associat Professor, Voronezh State Academy of Forestry and Technologies (8 Timiryazev str., Voronezh 394026, Russia), e-mail: etgvglta@mail.ru
