CC BY
39
УДК 678.011
МОДИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОМБИНИРОВАННЫМИ
ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ* В. М. Попов, А. П. Новиков, А. А. Тиньков
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
etgvglta@mail.ru
Ранее проведенными исследованиями установлено, что при воздействии на расплав полимера магнитным [1, 2] или электрическим [3] полем наблюдается повышение физико-механических свойств от-вержденного полимера. Так, обработанные в магнитном или электрическом поле дис-перснонаполненные полимеры имеют более высокие теплофизические и электрофизические характеристики. Повышается в процессе воздействия этими полями также микротвердость блочного полимера, растет прочность клеевых соединений на основе модифицированных полимерных клеев [4].
Предложенные методы вправе отнести к разряду интенсивных, в основу которых заложен эффект наноструктурных преобразований в полимерной матрице под воздействием физических полей. Протекающие при этом процессы упорядочения наноэлементов полимера приводят к повышению, в частности, механических свойств отвержденного полимера или прочности клеевого соединения. В свою очередь повышение теплофизических и электрофизических свойств наполненных полимеров под действием физических полей объясняется образованием цепочечных
структур из частиц наполнителя. Естественно возникает вопрос о перспективах дальнейшего повышения физико-механических свойств полимеров.
Исследованиями установлено, что применение комбинированных физических полей дает хороший эффект повышения адгезионной прочности полимерных покрытий [5]. Исходя из вышеизложенного, был апробирован метод воздействия на полимерные расплавы с дисперсным наполнителем вначале ультразвуковым и затем магнитным полем.
Выбор ультразвукового облучения полимера основывается на ранее полученных обнадеживающих результатах повышения прочности эпоксидных покрытий, подвергнутых воздействию ультразвуком
[4].
Для обработки полимера в магни-тоультразвуковом поле использовали ранее запатентованную установку, позволяющую проводить облучение ультразвуком частотой до 20 кГц и обработку постоянным магнитным полем напряженностью до
28-1 ОТ А/ м. Обработанный полимерный компонент в виде эпоксидной смолы ЭДП соединялся затем с отвердителем ПЭПА и пластификатором ДБФ. Для повышения
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта №10-08-00087) 12 Лесотехнический журнал 1/2012
теплофизических и электрофизических характеристик в полимер вводился железный (ПЖВ) или никелевый (ПНК) порошок заданной концентрации. В целях повышения теплопроводности и электропроводности наполненных полимерных пленок или прокладок производилась их обработка вначале путем облучения ультразвуком и затем воздействием магнитным полем.
Для исследования влияния магни-тоультразвукового поля на микротвердость полимера изготавливались образцы в виде таблеток диаметром 10 мм и толщиной 3 мм. Исследовались композиция на основе смолы ЭДП и отвердителя ПЭПА, эпокси-полиамидный клей марки ВК-9 и эпоксидный клей марки К-153.
В качестве наполнителя использовал-
ся никелевый порошок ПНК в виде частиц приведенного диаметра й = 2,А-\6,2мкм . Температура отверждения составляла 4050 °С, время обработки 30 мин.
Измерение микротвердости производилось на приборе ПМТ-3. Каждое отдельное значение микротвердости является усредненным значением из 10 отпечатков. Полученные результаты испытаний представлены в табл. 1, из которой следует, что микротвердость полимерной композиции или клея при воздействии магнитоультра-звуковым полем возрастает. Повышение частоты ультразвукового облучения при постоянной напряженности магнитного поля сопровождается дальнейшим ростом микротвердости.
Таблица 1
Зависимость микротвердости образцов от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового облучения при воздействии магнитоультразвуковым полем
Марка поли- Напряженность Частота ультра- Концентрация Микротвердость,
мерной компо- магнитного по- звукового облу- наполнителя К, кгс / мм2
зиции, клея ля Н-10"4, А / м чения, кГц % от объема
полимера
1 2 3 4 5
ЭДП+ПЭПА 0 0 0 10,3
ЭДП+ПЭПА 0 0 30 9,2
ЭДП+ПЭПА 0 0 40 9,0
ЭДП+ПЭПА 12 10 0 12,6
ЭДП+ПЭПА 12 10 30 12,2
ЭДП+ПЭПА 12 10 40 12,0
ЭДП+ПЭПА 24,7 10 0 14,8
ЭДП+ПЭПА 24,7 10 30 14,1
ЭДП+ПЭПА 24,7 10 40 13,6
ЭДП+ПЭПА 24,7 20 0 15,8
ЭДП+ПЭПА 24,7 20 30 15,2
ЭДП+ПЭПА 24,7 20 40 14,9
К - 153 0 0 0 10,7
К - 153 0 0 30 9,3
К - 153 0 0 40 8,6
К - 153 25 10 0 16,7
К - 153 25 10 30 16,0
К - 153 25 10 40 15,4
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5
К - 153 25 20 0 17,4
К - 153 25 20 30 17,1
К - 153 25 20 40 16,7
ВК - 9 0 0 0 7,4
ВК - 9 0 0 30 6,6
ВК - 9 0 0 40 5,9
ВК - 9 25 10 0 12,8
ВК - 9 25 10 30 11,1
ВК - 9 25 10 40 10,5
ВК - 9 25 20 0 13,9
ВК - 9 25 20 30 13,2
ВК - 9 25 20 40 12,8
Для исследования влияния комбинированного физического поля на прочность клеевых соединений проводилась обработка клеевой композиции ЭДП+ПЭПА, а также клеев ВК-9 и К-153. Приготовленные клеи использовались затем для склеивания стальных пластин для испытаний предела прочности клеевых соединений на сдвиг и цилиндрических стержней для ис-
пытаний предела прочности на равномерный отрыв. Испытания образцов на сдвиг при сжатии и на равномерный отрыв проводились на разрывной машине МИ-20.
Из полученных данных (табл. 2) видно, что воздействие магнитоультразвуко-вым полем на клей ВК-9 поднимает прочность почти в 2 раза, для клея К-153 и композиции ЭДП+ПЭПА на 40-60 %.
Марка клея или Напряженность Частота ультра- Прочность на Прочность на
клеевой компо- магнитного по- звукового облу- равномерный сдвиг при сжа-
зиции ля НЛ0~^,А/м чения, кГц отрыв а,МПа тии т,МПа
ЭДП+ПЭПА 0 0 9,8 6,0
ЭДП+ПЭПА 10 10 12,8 8,1
20 13,7 9,2
ЭДП+ПЭПА 16 10 14,1 8,5
20 15,8 9,8
ЭДП+ПЭПА 24 10 15,6 8,8
20 16,8 10,2
ВК-9 0 0 16,3 13,1
ВК-9 10 10 22,5 14,6
20 24,8 14,9
ВК-9 20,8 10 25,9 24,2
20 27,1 25,6
К-153 0 0 10,6 6,2
К-153 10 10 13,4 8,6
20 14,6 9,1
К-153 20,8 10 15,1 10,8
20 16,2 11,7
Таблица 2
Зависимость предела прочности клеевых соединений на равномерный отрыв и сдвиг от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового облучения при воздействии магнитоультразвуковым полем на неотвержденную клеевую прослойку (субстрат-сталь 20)
Для определения коэффициента теплопроводности образцов в виде полимерных прокладок диаметром 30 мм и толщиной 1 мм использовали установку, функционирующую на основании метода двух
температурно-временных интервалов [6]. Влияние магнитоультразвукового поля на теплопроводность полимерных прокладок из композиции ЭДП+ПЭПА с наполнителями ПЖВ и ПНК показано в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Зависимость коэффициента теплопроводности обработанных в магнитоультразвуковом поле полимерных прокладок от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового облучения при различной концентрации наполнителя марки ПЖВ
Концентрация наполнителя К,% от объема полимера Частота ультразвукового облучения, кГц Коэффициент теплопроводности Л, Вт / м-К при напряженности поля Н ■ 10-4, А / м
1 4 10 16 25 28
10 12 0,25 0,43 0,55 0,64 0,75 0,82
20 0,46 0,54 0,63 0,71 0,83 0,91
30 0,51 0,62 0,69 0,76 0,87 0,96
40 0,54 0,68 0,75 0,78 0,89 0,97
10 20 0,29 0,47 0,61 0,69 0,78 0,83
20 0,51 0,59 0,68 0,75 0,88 0,94
30 0,6 0,68 0,74 0,8 0,91 0,99
40 0,63 0,71 0,81 0,89 0,95 1,15
Таблица 4
Зависимость коэффициента теплопроводности обработанных в магнитоультразвуковом поле
полимерных прокладок от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового _облучения при различной концентрации наполнителя марки ПНК_
Концентрация наполнителя К,% от объема полимера Частота ультразвукового облучения, кГц Температура полимера, °С Коэффициент теплопроводности Л, Вт / м-К при напряженности поля Н-1СГ*,А/м
1 4 10 16 25 28
10 0,27 0,44 0,6 0,65 0,78 0,86
20 12 60 0,48 0,59 0,66 0,73 0,82 0,94
30 0,53 0,64 0,73 0,82 0,9 0,97
40 0,55 0,7 0,76 0,79 0,92 1,05
10 0,34 0,54 0,67 0,73 0,84 0,9
20 20 60 0,56 0,57 0,68 0,79 0,9 0,96
30 0,65 0,69 0,81 0,85 0,96 1,1
40 0,68 0,74 0,86 0,91 0,99 1,35
10 20 80 0,37 0,59 0,71 0,75 0,87 0,94
40 0,71 0,77 0,89 0,94 1,08 1,38
Для обеих марок наполнителей обра- вышает теплопроводность полимерных
ботка магнитоультразвуковым полем по- прокладок с ростом напряженности маг-
нитного поля до 28-104А/м, достигая для порошка ПЖВ при концентрации наполнителя в 40 % по объему от объема полимера величины Л = 1,15ВтIм-Км для порошка ПНК Л = \,35Вт/м-К . Полученные значения коэффициента теплопроводности заметно выше установленных ранее при воздействии только магнитным полем [2]. Отмеченный эффект роста теплопроводности композиции можно объяснить более плотной упаковкой частиц наполнителя в образовавшихся цепочках.
Повышение температуры полимерно-
В заключение следует отметить, что рекомендуемый метод повышения физико-механических свойств дисперснонапол-ненных полимерных композиций путем воздействия комбинированным физическим полем представляется достаточно эффективным и может быть реализован на производствах, специализирующихся на изготовлении клееных изделий, испытывающих при эксплуатации повышенные
го компонента на момент обработки в физическом поле сопровождается ростом теплопроводности (табл. 4), что можно объяснить более интенсивным образованием цепочечных структур.
На образцах, применяемых для исследования теплопроводности, были проведены испытания электросопротивления, которые показали (табл. 5), что с увеличением напряженности магнитного поля растет электропроводность прокладок, причем особенно это заметно при увеличении частоты ультразвукового облучения.
механические и тепловые нагрузки.
Библиографический список
1. Попов В.М. Теплообмен через соединения на клеях. - М.: Энергия, 1974. 304 с.
2. Попов В.М., Новиков А.П., Кондратенко И.Ю. Метод повышения теплопроводности тонкослойных полимерных
Таблица 5
Зависимость электросопротивления обработанных в магнитоультразвуковом поле прокладок
от напряженности магнитного поля и частоты ультразвукового облучения при различной _концентрации наполнителя ПНК_
Концентрация наполнителя К,% от объема полимера Частота ультразвукового облучения, кГц Удельное электросопротивление ри,ом- см при напряженности поля Н-Ю-4,А!м
2 5 12 20 27
10 12 0,04 0,02 0,015 0,011 0,008
20 0,03 0,016 0,012 0,008 0,007
30 0,015 0,011 0,009 0,007 0,005
40 0,013 0,008 0,006 0,004 0,004
10 20 0,02 0,012 0,008 0,006 0,005
20 0,01 0,008 0,006 0,004 0,004
30 0,009 0,007 0,005 0,003 0,002
40 0,007 0,005 0,003 0,001 0,0008
материалов // Матер. III Российской национальной конф. по теплообмену. М.: МЭИ. 2002. Т. 7. С. 224-225.
3. Попов В.М., Остроушко М.Н., Новиков А.П., Золототрубов Е.Г. Влияние постоянного электрического поля на теплопроводность клеевых прослоек на основе дисперснонаполненных полимерных клеев // Казанская школа: сб.науч. статей. Казань. 2011. № 1. С. 41-42.
4. Кестельман В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов. - М.: Химия, 1980. 224 с.
5. Шипилевский Б.А. Пути повышения долговечности эпоксидных покрытий. - Ташкент, УзИНТИ, 1971. 28 с.
6. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. - М.: Энергия, 1971. 145 с.
