CC BY
40
УДК 678.5.046:536.2
С. С. Никулин, О. В. Висков, Н. Ф. Майникова*, А. И. Сакина**, Д. В. Онучин, В. Г. Азаров
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия 392620, Тамбов, ул. Советская, д. 106 * e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская пл., д. 9 ** e-mail: aleksandra_sai@mail.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИТОВ
Аннотация
Проведены исследования температурных зависимостей теплопроводности на образцах полимерных композиционных материалов, в качестве матрицы которых использована эпоксиноволачная смола, в качестве наполнителей применены углеродные нанотрубки. Исследования температурных зависимостей теплопроводности полимерных композиционных материалов, содержащих углеродные волокна, проводили на специальной измерительной системе.
Ключевые слова: эпоксидные олигомеры, многослойные углеродные нанотрубки, теплопроводность, измерительная система.
Эпоксидные олигомеры и полимеры широко используют в качестве матриц для получения углепластиков, характеризующихся сочетанием высокой прочности и жесткости с малой плотностью, низким температурным коэффициентом трения, высокими тепло- и электропроводностью, износостойкостью, устойчивостью к термическому и радиационному воздействиям [1].
В данной работе экспериментальные исследования температурных зависимостей теплопроводности проводились на образцах полимерных композиционных материалов, в качестве матриц которых использована эпоксиноволачная смола DEN 425, отверждённая метилэндиковым ангидридом дикарбоновой кислоты (МЭА). В качестве ускорителя в композите использован 2,4,6-трис (диметиламинометил) фенол (УП 606/2), в качестве наполнителей применены многослойные углеродные нанотрубки (УНТ) в растворе Лапролат-301 (олигоэфирциклокарбонат).
Создание эпоксидных композитов,
модифицированных углеродными нанотрубками, вызывает существенные трудности, связанные с достижением их однородного распределения в матрице из-за высокой энергетической активности, склонности к агрегатированию и седиментации в менее плотной олигомерной среде.
Технология приготовления образцов из композитов для испытаний заключалась в следующем. В емкость для смешения к эпоксиноволачной смоле первоначально добавлялся концентрат наночастиц в активном разбавителе, затем отвердитель и в последнюю очередь - ускоритель. Смесь оставляли отстояться при комнатной температуре около одного часа для того чтобы вышли пузырьки воздуха. Далее в предварительно разогретую форму (около 100°C) заливались
композиционные составы. Форма помещалась в термошкаф, разогретый до значений температуры 160 - 180°С. Время выдержки - 2 часа [2].
Исследования температурных зависимостей теплопроводности композитов, содержащих УНТ, проводили на измерительной системе (ИС), позволяющей в одном краткосрочном эксперименте определять температурные зависимости
теплопроводности твердых материалов через определяемые программно интервалы температуры. Для определения теплопроводности в ИС используется метод динамического X-
калориметра. Измерительная система построена в результате существенной модернизации измерителя теплопроводности ИТ-400. Сигналы с термопар подаются на входы аналого-цифровой платы PSI-1202^ Термостатирование адиабатической оболочки реализуется программным обеспечением (ПО) системы через выходные каналы ЦАП платы. Напряжение питания основного электрического нагревателя измерительной ячейки обеспечивает соблюдение условий установившегося теплового режима второго рода при разогреве образца.
Схема ИС представлена на рис.1. Измерительная ячейка (ИЯ) состоит из адиабатной оболочки 1, основания 5, тепломера 4 и стержня 2, между которыми устанавливается испытуемый образец 3. Чувствительными элементами ИС являются термопары, холодные спаи которых соединены с входами блока холодных спаев 9, входы которого термостатированы массивным алюминиевым блоком. Сигнал Н от датчика, а так же сигналы А от термопар поступают на вход АЦП/ЦАП платы 11 компьютера 10. Компенсация температуры холодных спаев производится программным обеспечением ИС.
Разработанная программа обрабатывает данные, поступающие с термопар. Управление процессом
измерения осуществляется ПО, посылая сигналы в через ЦАП на блок питания и регулирования 12. Управление нагревом осуществляется за счет изменения мощности, выделяемой нагревателями 6 и 7.
С целью защиты элементов ИЯ от перегрева в состав ИС включен блок аппаратной защиты и
коммутации 13. Основной частью блока является реле, реагирующее на сигнал Б от датчика температуры 8 и защищающее ИЯ от перегрева. Блок реализует алгоритм коммутации посредством релейной части, а также управляет силовым реле 14, подключающим блок питания и регулирования к сети 15.
<0
2 «г •г
3
4 <
Ь£>
11
10
% 15
Рис. 1. Схема измерительной системы:
1- адиабатная оболочка; 2 - стержень; 3 - образец; 4 - тепломер; 5 - основание; 6 - нагреватель оболочки; 7 -нагреватель основания; 8 - датчик температуры; 9 - блок холодных спаев; 10 - ПК; 11 - PCI совместимая плата АЦП/ЦАП; 12 - блок питания и регулирования; 13 - блок аппаратной защиты и коммутации; 14 - реле; 15 - сеть 220В, 50Гц; A - измерительные сигналы термопар; B - питание нагревателя основания; C - питание нагревателя оболочки; D - сигнал от датчика температуры основания; E - питание блока питания и регулирования; F - питание блока холодных спаев; G - сигнал, управляющий нагревом ; H - сигнал с датчика температуры холодных спаев термопар.
Как известно, введение наполнителей или модификаторов в полимер влияет на теплопроводность, причем численное значение теплопроводности (А,) композиционного материала будет определяться не только количеством введённой добавки, но и характером её взаимодействия с полимерной фазой.
Зависимости теплопроводности композиционных материалов на основе эпоксиноволачной смолы с наполнителем УНТ от температуры представлены на рис. 2. Каждая из зависимостей 1 - 3 представляет собой результат усреднения пяти параллельных опытов.
Наполнение эпоксиноволачной смолы DEN 425 углеродными нанотрубками в количестве до 1мас.% (0,3 ... 0,7%) несколько снижает теплопроводность материала во всём исследуемом интервале значений температуры (70.150 °C), фактически не меняя характера зависимости.
Обобщая вышеизложенное, можно сказать, что, несмотря на высокую теплопроводность отдельных углеродных нанотрубок, входящих в состав материала УНТ, теплопроводность композитов, полученных с его помощью, изменяется незначительно. Причиной этого могут быть: способность УНТ поглощать газообразные и жидкие вещества (воздух, олигоэфирциклокарбонат), неравномерное распределение углеродных нанотрубок в полимерной матрице.
Таким образом, задача создания методов распределения углеродных нанотрубок в полимерных материалах в настоящее время остается актуальной. Применение, например, ультразвуковой обработки существенно улучшает диспергирование УНТ в полимерной матрице.
Следует учитывать также, что степень однородности композиционного материала, содержащего УНТ, существенно зависит от их концентрации.
1
9
6
X, Вт/(м.К) 0,24 -0,22 0,2
0,18 0,16 -
0,14 т-1-1-1-1-1-1-1-
70 80 90 100 110 120 130 140 °С Рис. 2. - Зависимости теплопроводности композиционных материалов на основе эпоксиноволачной смолы с наполнителем УНТ от температуры Количество наполнителя: 1 - исходный материал; 2 - 0,3 % УНТ; 3 - 0,7 % УНТ При малых концентрациях легче достигается нанотрубки. Свойства материалов, содержащих УНТ, высокая степень однородности материала, поскольку могут быть также усилены за счет применения при этом удается диспергировать жгуты, содержащие дополнительных манипуляций с УНТ.
Никулин Сергей Сергеевич, к.т.н., ст. преп. кафедры «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» Тамбовского государственного технического университета (ФГБОУВПО «ТГТУ»), Россия, Тамбов.
Висков Олег Владимирович, студент ФГБОУ ВПО «ТГТУ», Россия, Тамбов.
Майникова Нина Филипповна, д.т.н., профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» ФГБОУ ВПО «ТГТУ», Россия, Тамбов.
Сакина Александра Ивановна, студент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Онучин Денис Вячеславович, соискатель кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Азаров Вячеслав Григорьевич, студент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Исследование свойств модифицированных эпоксисодержащих олигомеров / В. С. Осипчик, С. А. Смотрова, А.Я. Томильчик // Пластические массы, 2011. №2. С. 4 - 7.
2. Исследование температурных зависимостей теплопроводности эпоксидных углепластиков / Н.Ф. Майникова, С.С. Никулин, В.С. Осипчик, Т.П. Кравченко, О.И. Кладовщикова, Нгуен Ле Хоанг, Н.В. Костромина. // Пластические массы, 2014. №9 - 10. С. 35 - 37.
Nikulin Sergey Sergeevich, Viskov Oleg Vladimirovich, Mainikova Nina Filippovna*, Sakina Aleksandra Ivanovna**, Onuchin Denis Vyicheslavovich , Azarov Vyacheslav Grigoryevich
Tambov State Technical University, Tambov, Russia.
* e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. ** e-mail: aleksandra_sai@mail.ru
DETERMINATION OF THE TEMPERATURE DEPENDENCIES OF THE THERMAL CONDUCTIVITY OF EPOXY COMPOSITES
Abstract
Have been investigated the temperature dependence of thermal conductivity on samples of polymer composite material, as a matrix which used epoxy Novolac resin, as fillers used carbon nanotubes. Study the temperature dependence of thermal conductivity of polymer composite materials containing carbon fiber, conducted on the special measuring system.
— Key words: epoxy oligomers, multiwall carbon nanotubes, thermal conductivity, measurement system.
