Фіалко Н. М., Дінжос Р. В., Кліщ А. В., Хміль Д. П. Дослідження залежності теплофізичних властивостей полімерних мікро- і нанокомпозитів від методу їх синтезу // Міжнародний науковий журнал "Інтернаука". — 2019. — №12.
Технічні науки
УДК 538.9:536.6
Фіалко Наталія Михайлівна
доктор технічних наук, професор,
член-кореспондент НАН України, завідувач відділу
Інститут технічної теплофізики
Національної академії наук України
Фиалко Наталья Михайловна
доктор технических наук, профессор,
член-корреспондент НАН Украины, заведующая отделом
Институт технической теплофизики
Национальной академии наук Украины
Fialko Nataliia
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Corresponding Member of the NAS of Ukraine, Head of Departmentґ
Institute of Technical Thermophysics of the
National Academy of Sciences of Ukraine
Дінжос Роман Володимирович
доктор технічних наук, доцент, старший науковий співробітник
Миколаївський національний університет імені В. О. Сухомлинського
Динжос Роман Владимирович
доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник
Николаевский национальный университет имени В. А. Сухомлинского
Dinzhos Roman
Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor, Senior Researcher
Mykolayiv National University named after V. Sukhomlinsky
Кліщ Андрій Володимирович
молодший науковий співробітник
Інститут технічної теплофізики
Національної академії наук України
Клищ Андрей Владимирович
младший научный сотрудник
Институт технической теплофизики
Национальной академии наук Украины
Klishch Andriy
Junior Research
Institute of Technical Thermophysics of the
National Academy of Sciences of Ukraine
Хміль Дмитро Петрович
молодший науковий співробітник
Інститут технічної теплофізики
Національної академії наук України
Хмиль Дмитрий Петрович
младший научный сотрудник
Институт технической теплофизики
Национальной академии наук Украины
Khmil Dmytro
Junior Research
Institute of Technical Thermophysics of the
National Academy of Sciences of Ukraine
ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ТЕПЛОФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЛІМЕРНИХ МІКРО- І НАНОКОМПОЗИТІВ ВІД МЕТОДУ ЇХ СИНТЕЗУ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МИКРО- И НАНОКОМПОЗИТОВ ОТ МЕТОДА ИХ СИНТЕЗА
STUDY OF THE DEPENDENCE OF THE THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF POLYMER MICRO- AND NANOCOMPOSITES ON THE METHOD OF THEIR SYNTHESIS
Анотація. Наводяться результати аналізу теплофізичних характеристик полімерних мікро- і нанокомпозиційних матеріалів на основі поліетилену з різними наповнювачами – вуглецевими нанотрубками і частинками алюмінію. Досліджується вплив на концентраційні залежності коефіцієнта теплопровідності методів синтезу розглянутих композитів при зміні масової частки наповнювачів в широкому діапазоні значень.
Ключові слова: теплофізичні властивості, методи отримання полімерних мікро- і нанокомпозитів, вуглецеві нанотрубки, мікрочастинки алюмінію, перколяційні пороги.
Аннотация. Приводятся результаты анализа теплофизических характеристик полимерных микро- и нанокомпозиционных материалов на основе полиэтилена с различными наполнителями - углеродными нанотрубками и частицами алюминия. Исследуется влияние на концентрационные зависимости коэффициента теплопроводности методов синтеза рассматриваемых композитов при изменении массовой доли наполнителей в широком диапазоне значений.
Ключевые слова: теплофизические свойства, методы получения полимерных микро- и нанокомпозитов, углеродные нанотрубки, микрочастицы алюминия, перколяционные пороги.
Summary. The results of the thermophysical characteristics analysis of polymeric micro- and nanocomposite materials based on polyethylene with various fillers — carbon nanotubes and aluminum particles — are presented. The influence of the synthesis methods of the considered composites on the concentration dependences of the heat conductivity coefficient is studied upon a change in the mass fraction of fillers in a wide range of values.
Key words: thermophysical properties, methods for producing polymer micro- and nanocomposites, carbon nanotubes, aluminum microparticles, percolation thresholds.
Підвищення вимог до експлуатаційних характеристик теплоенергетичного обладнання зумовлює необхідність використання для його виготовлення нових матеріалів, зокрема, полімерних мікро- і нанокомпозитів. Застосування в конструкціях різного устаткування матеріалів даного класу пов'язано з тим, що вони мають цілу низку унікальних технологічних і фізико-механічних характеристик [1-5]. Серед таких характеристик особливо виділяється широкий спектр теплопровідних властивостей полімерних композитів – від їх низькотеплопровідних до високотеплопровідних модифікацій.
На теплопровідні властивості полімерних мікро- і нанокомпозитів, як відомо, можуть істотно впливати методи їх синтезу [1, 2]. З огляду на це встановлення залежності даних властивостей від методу отримання композиційного матеріалу є актуальним завданням.
Робота присвячена дослідженню коефіцієнтів теплопровідності полімерних композиційних матеріалів при різних типах наповнювачів, різних величинах їх масових часток і методах їх отримання.
Розгляду підлягали наступні методи синтезу полімерних композитів: по-перше, метод змішування компонентів, що знаходяться в сухому вигляді, з використанням магнітної мішалки і ультразвукового диспергатора і гарячого пресування отриманої суміші (метод А); і по-друге, метод, заснований на змішуванні компонентів в розплаві полімерів дисковим екструдером при подальшому наданні композиту необхідної форми гарячим пресуванням (метод В).
Синтез композитів здійснювався на основі частково-кристалічного поліетилену із застосуванням в якості наповнювачів вуглецевих нанотрубок (ВНТ) або мікрочастинок алюмінію. Вуглецеві нанотрубки, що застосовувалися в ході досліджень, виготовлялися методом CVD (англ. Chemical vapor deposition - хімічне парофазне осадження). Вміст мінеральних домішок в них складав ~ 0,1%. Мікрочастинки алюмінію, які використовувалися як наповнювач, були отримані з алюмінієвих тирси за допомогою їх розтирання в кульовому млині до частинок розміром (0,5 ... 1) мкм. Коефіцієнт теплопровідності λ полімерних композитів визначався з використанням приладу ІТ-λ-400.
На рис. 1 представлено концентраційні залежності коефіцієнта теплопровідності λ для полімерних мікро- і нанокомпозитів, отриманих із застосуванням вказаних методів А і В. З рисунка видно, що для даних методів мають місце суттєві відмінності значень λ композиційних матеріалів, величин перколяційних порогів та характеру залежності λ від масової частки наповнювача ω. Рис. 2 ілюструє відмінності Δλ = λр - λс в значеннях коефіцієнтів теплопровідності розглянутих композитів при використанні різних методів їх отримання, де λс і λр - коефіцієнти теплопровідності, що відповідають методам А і В.
Згідно наведених даних, досліджувані відмінності можуть бути досить значними. В усьому розглянутому діапазоні зміни масової частки наповнювача ω більші величини λ відповідають композиційним матеріалам, отриманим на основі методу В. При цьому відхилення Δλ для поліетилену, наповненого ВНТ, є більш суттєвими, ніж при його наповненні Al. Так, в першому випадку максимальні значення Δλ складають 28,1 Вт/(м·К), а в другому - лише 19,7 Вт/(м·К).
Рис. 1. Залежність від масової частки наповнювача коефіцієнтів теплопровідності полімерних композитів на основі поліетилену, отриманих з використанням методів змішування компонентів в сухому вигляді (1, 2) і в розплаві полімеру (3, 4) при наповненні полімерної матриці мікрочастинками алюмінію (1, 3) і ВНТ (2, 4): а), б) - лінійна і логарифмічна шкала по осі ординат відповідно
Рис. 2. Відмінність коефіцієнтів теплопровідності композиційних матеріалів на основі поліетилену, що відповідають різним методам отримання композитів при наповненні полімерної матриці мікрочастинками алюмінію (1) і вуглецевими нанотрубками (2)
Характер залежності величини Δλ від масової частки наповнювача якісно однаковий для поліетилену, наповненого алюмінієм і ВНТ. Розбіжність величин λ композитів, що відповідають різним методам їх отримання, виявляються досить значними практично у всьому діапазоні зміни масової частки наповнювача, виключаючи її низькі значення.
З наведених даних також випливає, що максимальне значення коефіцієнта теплопровідності, яке може бути досягнуто в рамках розглянутого діапазону зміни масової частки наповнювача, для поліетилену, наповненого алюмінієм, при використанні методу В перевищує відповідне значення, яке відповідає методу А, в 3,2 рази. Для поліетилену, наповненого УНТ це перевищення становить 2,6 рази.
Як видно з рис. 1б, залежність λ = f (ω) характеризується наявністю двох стрибків коефіцієнтів теплопровідності, що відповідають величинам ω, які називаються перколяційними порогами. Перший з них відповідає утворенню перколяційних кластерів з частинок наповнювача, другий - формуванню перколяційної сітки. При цьому значення перколяційних порогів є меншими в разі застосування методу В. Так, при застосуванні як наповнювача мікрочастинок Al перший перколяційний поріг ω1 дорівнює 0,59% і 0,55%, а другий поріг ω2 = 2,96% і 1,98 % для методів А і В відповідно. При використанні як наповнювача ВНТ перший перколяційний поріг відповідає ω1 = 0,48%, а другий - ω2 = 2,09% при сухому методі змішування компонентів (метод А), і ω1 = 0,33% і ω2 = 1,55% при змішуванні компонентів в розплаві полімеру (метод В).
Література
