Научная статья на тему 'Модификация дисперсно-наполненных полимерных материалов путем воздействия комбинированными физическими полями'

Модификация дисперсно-наполненных полимерных материалов путем воздействия комбинированными физическими полями Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
148
41
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МАГНИТОУЛЬТРАЗВУКОВОЕ ПОЛЕ / НАПРЯЖЕННОСТЬ / ЧАСТОТА ОБЛУЧЕНИЯ / ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ / ПРОЧНОСТЬ / ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ / КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ / MAGNETIC ULTRA SONIC FIELD / STRESS / FREQUENCY OF EXPOSURE / THERMAL CONDUCTIVITY / STRENGTH / ELECTRICAL CONDUCTIVITY / ADHESIVE JOINTS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Попов Виктор Михайлович, Новиков Алексей Петрович, Тиньков Артем Александрович

В статье приводятся и анализируются результаты экспериментальных исследований физико-механических характеристик дисперсно-наполненных полимерных материалов, подвергнутых воздействию магнитоультразвукового поля. На специальной установке, позволяющей создавать ультразвуковое поле частотой 20 кГц и магнитное поле напряженностью до, проводилась обработка полимерных компонентов композиции ЭДП+ПЭПА и клеев ВК-9 и К-153. Клеи на основе обработанных комбинированным физическим полем полимерных компонентов затем использовались для формирования клеевых соединений. Последние испытывались после этого на разрывной машине на предел прочности при равномерном отрыве и сдвиге при сжатии. Установлено, что воздействие магнитоультразвуковым полем на клей ВК-9 повышает прочность клеевого соединения почти в 2 раза и для клеев К-153 и ЭДП+ПЭПА на 40-60 %. Отдельно проведенные исследования микротвердости обработанных в комбинированном поле образцов из клеев на приборе ПМТ-3 свидетельствуют о повышении микротвердости на 60-70 %. Для повышения теплопроводности и электропроводности полимерных прокладок на основе композиции ЭДП+ПЭПА в последнюю вводились порошковые наполнители ПЖВ и ПНК. Затем прокладки обрабатывались ультразвуком и постоянным магнитным полем различной напряженности. За счет образования цепочечных структур из частиц металлического наполнителя значительно поднимались теплопроводность и электропроводность прокладок. Проводились также испытания микротвердости обработанных в комбинированном поле наполненных полимеров. Обработка в таком поле полимеров повышает их микротвердость. Результаты исследований, приведенные в статье, рекомендуется использовать при проектировании и создании теплонапряженных систем.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Попов Виктор Михайлович, Новиков Алексей Петрович, Тиньков Артем Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modification of the dispersion-filled polymeric materials by the combined effects of physical fields

This article describes and analyzes the results of experimental studies of physical and mechanical properties of disperses-filled polymer materials exposed to magnetic ultra sonic field. At a special setting that allows to create the field of ultrasonic frequency of 20 kHz and a magnetic field up to, processing of polymer composition components EAF+PEPA and adhesives VK-9 and K-153 was made. Adhesives based on polymer components processed by combined physical field were then used to form adhesive joints. The last ones were tested after this in breaking machine on tensile strength at uniform separation and shear during compression. It is established that the effect of magnetic ultra sonic field on the glue VC-9 increases the strength of adhesive bonding almost in 2 times and glue EHP-153 and + PEPA for 40-60 %. Separate studies of microhardness of samples from glues processed in the combined the field in PMT-3 equipment show an increase for 60-70 %. To increase thermal and electrical conductivity of polymer seals based on the composition EHP+PEPA in the lastone powder fillers PZHV and PNA were introduced. Then layings were sonicated and processed by static magnetic field of varying intensity. Due to the formation of chain structures of the metal filler particles electrical and thermal conductivity of layings significantly raised. Microhardness tests of filled polymers processed in the combined field were carried. Treatment in this field of polymers increases their microhardness. The research results presented in this article, are recommended to use in the design and creation of heat-stressed systems.

Текст научной работы на тему «Модификация дисперсно-наполненных полимерных материалов путем воздействия комбинированными физическими полями»

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.