Влияние адсорбции влаги на анизотропию электропроводности эпоксистеклопластиков разных марок Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

••• Известия ДГПУ, №1, 2008

УДК 541.64:678:01

ВЛИЯНИЕ АДСОРБЦИИ ВЛАГИ НА АНИЗОТРОПИЮ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЭПОКСИСТЕКЛОПЛАСТИКОВ РАЗНЫХ МАРОК

© 2009 Магомедов Г.М., Абакаров С.А., Магомедов М.Р.

Дагестанский государственный педагогический университет

Исследована температурная зависимость анизотропии электропроводности слеклопластиков с матрицами ЭД-20 и ЭДТ-10 с повышением температуры до 450К и с понижением до начальной температуры. Предложены механизмы, влияющие на анизотропию электропроводности.

The authors of the article explored the temperature dependency of anisotropy of electroconductivity of glass-fibre plastics with ED-20 and EDT-10 matrixes with increasing of temperature to 450 K and with reduction to the initial temperature. They offered tools, influencing upon the anisotropy of electroconductivity.

Ключевые слова: электропроводность, анизотропия, адсорбция, стекловолокна, композиты, связующие.

Keywords: electroconductivity, anisotropy, adsorption, fiberglass, composites, matrix.

Стеклопластики (СП), армированные стекловолокнами (СВ) разных марок (А, С, Е, S), нашли широкое применение в судо-, самолето- и ракетостроении, электроизоляционной технике. Диоксид кремния имеет высокую температуру размягчения (2423К) и вытягивания СВ. Для снижения этой температуры проводят модификацию состава стекла. Состав стекла определяет свойства СВ.

Стеклянные волокна имеют высокий предел прочности при растяжении. Обычно СП армируют СВ марок Е или S. Стекло S, или

магнийалюмосиликатное (МАС), имеет предел прочности 4,6 ГПа. В [5] приведены данные

алюмоборосиликатных - (АБС),

кислотостойких (КС) и МАС СВ, взятые из работы [2].

Все эти марки стекол обладают огнестойкостью, хемостойкостью,

влагостойкостью. Каждая марка стекла имеет свои области применения в зависимости от необходимых свойств. Стекла различного химического состава

отличаются не только физико-механичес-кими, но и

электрофизическими свойствами.

Кварцевые стекла Е и 8 имеют удельную проводимость (10-п-10-18)0м-1м-1. В зависимости от химического состава стекла меняются электроизоляционные свойства силикатного стекла. На увеличение электропроводности особое влияние оказывают оксиды щелочных металлов №20, К20. Ионы натрия (№+) имеют меньшие размеры, чем ионы калия (К+), поэтому они обладают большей подвижностью, чем ионы К+, и электропроводность стекол с №+ больше. Содержание щелочных оксидов до 30% повышает электропроводность до (10"10^10"8)0м"1м"1 [4]. Физические свойства СП зависят от объемной доли компонентов и их марок. Оптимальная доля связующего в СП может доходить до 30-32% [6, 7, 10].

В работе [8] исследованы релаксационные свойства СП вдоль волокон и под разными углами к СВ. Установлено, что определяющую роль в

формировании свойств композита играют СВ, в то время как перпендикулярно волокнам свойства композита зависят от полимерной матрицы и граничных слоев, а также от адгезии между компонентами.

СВ и эпоксидные смолы (ЭС) разных марок хорошо связываются с поверхностью стекла без аппретов, но связи эти могут разрушаться под действием молекул воды. Поэтому приходится использовать аппреты для сохранения механических свойств СП [3]. Молекулы воды могут влиять не только на механические свойства эпоксистеклопластиков (ЭСП), но и электрофизические свойства. Поэтому актуальным являются исследование влияния адсорбции паров воды на электропроводность ЭСП в широком температурном интервале. Как установлено в работах [1, 2, 9],

адсорбция сильно влияет на электропроводность эпоксиорганопластиков.

Значение 1§о в минимуме для образцов 1 и 2 соответственно равны: 1£о=-7,3Ом"1м"1, 1§о=-8Ом_1м_1 при

температуре ~380К. В минимуме 1§о образца 3 равен 1§о=-100м"1м"1, образца 6 1§о=-11,8Ом"1м"1_ а температура

минимума Тмин=330К. После достижения минимума 1§о образцов обеих серий увеличивается и имеет одинаковый угол наклона до температуры 450К, что связано с ионной проводимостью связующего. Наличие одинакового

Чт-) б

наклона в обеих сериях

образцов может свидетельствовать о схожести механизма образования

носителей. Электропроводность в области «эффективной» проводимости

можно объяснить дипольной

поляризацией адсорбированных молекул воды. В температурном интервале

290^310)К о увеличивается за счет

ориентации диполей (дипольной

поляризации). После достижения

максимума кривая 1§о обеих серий ЭСП уменьшается за счет разориентации десорбции молекул Н20.

Электропроводность образцов 3 и 6 во всем температурном интервале ниже, что связано со слоистым расположением СВ в препрегах. При этом 1§о образца 3 при температуре 450К равен 1§о=-6,8Ом" 1м-1, в то время как образца 6 - 1§о=-8,6Ом-1м-1. У остальных образцов при

температуре 450К 1§о=-6,8Ом"1м"1. После этой температуры измерения

электропроводности проводились с понижением температуры. Как видно из рис. 1 и 2, графики обратного хода

Ч т)

отличаются друг от друга углом наклона. Для I серии образцов графики имеют один излом и электропроводность образца 3 уменьшается до 1§о=-13Ом"1м"1, а 1§о образцов 1, 2 продолжает уменьшаться с меньшим наклоном. Графики образцов II серии имеют по два излома: конечное значение 1§о=-10,20м"1м"1, образца 5 -1§о=-11,8Ом"1м"1, а образца 6 - 1§о=-13Ом"1м"1, начиная с температуры 330К приведенные значения 1§о остаются постоянными для II серии образцов. Уменьшение 1§о обеих серий образцов с уменьшением температуры можно объяснить понижением концентрации ионов в смолах ЭД-20 и ЭДТ-10. То, что 1§о образцов 4, 5, 6 остаются

постоянными, как и численные значения 1§о4>1§о5>1§о6, наводит на мысль, что вдоль СВ ионы рассеиваются меньше и сами СВ поставляют ионы в этой серии ЭСП II.

І£а, ОіеҐ'м'1

400 ззз 286 • т,к

2,5 З 3,5 І03ЛГ, К

Рис. 1. Температурная зависимость электропроводности эпоксистеклопластиков на основе ЭД-20. 1 - вдоль волокон, 2 -перпендикулярно волокнам, 3 -перпендикулярно препрегам (при прямом измерении с повышением температуры) и 1’, 2’, 3 ’ (при обратном ходе с понижением температуры)

Ом'м’

400 333 286 • Т,К

2,5 3 3,5 1»‘.Г, К :

Рис. 2. Зависимость электропроводности эпоксистеклокомпозита ЭДТ-10. 4 -вдоль волокон, 5 - перпендикулярно волокнам, 6 - перпендикулярно

препрегам (при прямом измерении с повышением температуры) и 4’, 5’, 6’ (при обратном ходе с понижением температуры)

В обеих сериях образцов следует обратить внимание на то, что исходные значения во всех образцах выше, чем конечные значения обратного хода ^о. Причем эта разница в образцах вдоль СВ и перпендикулярно им в плоскости

препрегов составляет 4-5 порядка, а относительно максимального значения ^о эта разница доходит до 6-7. В образцах 3 и 6 разница между исходными и конечными значениями ^о - 2-3, а между максимальными и конечными значениями ^о - 4-5.

Отсюда можно сделать вывод, что исходные образцы содержат носители, связанные как с исходным материалом СВ, так и адсорбированными молекулами воды.

После достижения минимума

. (1031

1Я о---

Т

к у с увеличением температуры число ионов в ЭД-20 и в ЭДТ-10 увеличивается больше, чем в СВ. Это связано с энергией ионизации атомов в этих материалах. При высоких температурах носители тока могут

рассеиваться не только на границах между компонентами, но и на

сегментальной подвижности

макромолекул. Рассеяние носителей тока на межфазной границе особо

проявляется на зависимости ^о образцов 3 и 6. Отдельно следует

отметить пределы десорбции, деполяризации и испарения молекул

воды из ЭД-20 и ЭДТ-10. По значениям 103

^ О

минимума

т

из ЭД-20 понятно, что десорбция молекул Н20 происходит при температуре Т=370К, а в ЭДТ-10 -Т=356К. Видимо, энергия

поверхностного натяжения воды в ЭДТ-10 меньше, чем ЭД-20. Графики прямого

, (1031

^ О ---

Т

и обратного хода ^ ) рис. 1 и 2

показывают, как сильно могут влиять

адсорбированные молекулы Н20 на электрические и электроизоляционные значения и на связь между чувствительными к влаге 81-0-С, которые могут разрушиться под действием воды. Таким образом, влага

может влиять на адгезию СВ и ЭС, что будет отражаться на прочности и других физико-механи-ческих свойствах ЭСП. Использование аппретов необходимо в зависимости от условий применения ЭСП.

Примечания

1. Абакаров С.А., Магомедов Г.М., Магомедов М.Р. Электропроводность эпоксидных полимеров, наполненных наночастицами SiO2 // Известия ДГПУ. Махачкала. №1. 2007. С. 11-15. 2. Абакаров С.А., Магомедов Г.М. Влияние адсорбции воды на электропроводность эпоксидной матрицы и СВМ волокон металлоорганопластика // Современные проблемы науки и образования. Материалы научной сессии профессорско-преподавательского состава. Махачкала : ДГПУ, 2008. С. 7-9. 3. Барашков Н.Н. Полимерные композиты: получение, свойства, применение. М. : Наука, 1984. 128 с. 4. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика механика полимеров. М. : Высшая школа, 1983. 391 с. 5. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы. М. : Логос, 2006. 398 с. 6. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. 7. Композиционные материалы. Справочник / Под ред. Д. М. Карпиноса. Киев : Наукова думка, 1985. 591 с. 8. Магомедов Г.М. Автореф. дис... докт. физ.-мат. наук. Москва, 2005. 47 с. 9. Магомедов Г.М., Яхъяева Х.Ш., Абакаров С.А., Железина Г.Ф. Влияние природы композитов и их взаимодействия на электрические и релаксационные свойства слоистых металлополимерных композитов // Пластические массы. №12. 2007. С. 9-11. 10. Справочник по композиционным материалам / Под ред. Д. Ж. Любина. М. : Машиностроение, 1988. 447 с. 11. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М. : Энергоиздат, 1982. 319 с.

Статья поступила в редакцию 20.12.2008 г.