Реферат: Дослідження впливу наповнювача на структурну організацію і міжфазну взаємодію в композиційних полімерних матеріалах

Дослідження об’ємного вмісту граничного шару в композиції.

Теплофізичні властивості полімерів залежать від їх будови і особливостей протікання молекулярно-кінетичних процесів на молекулярному і надмолекулярному рівнях.

При розгляді процесу теплопровідності в полімерах використовують уявлення про теплоперенос в діелектриках. В полімерах розглядають два механізми теплопереносу:

1.         Дифузійний перенос, згідно якого отримуються низькі значення l.

2.         Зумовлений вібрацією енергетичних структур, при яких термозбудження виникає в у вигляді фононів, що призводить до більш ефективної передачі тепла.

Для чистого ПВХ температурна залежність l добре лписується емпіричним рівнянням:

l=l0=1,36×104Т –0,2×10-6Т2, де

l0 – коефіцієнт теплопровідності ПВХ, рівний 0,148 Вт/м×К при Т = 290К.

Для розрахунку l композицій використовують принцип узагальненої теплопровідності, враховуючи, що характерною особливістю структури таких систем являється неперервність полімерної матриці в довільному напрямку і дискретне розміщення частинок наповнювача, а також існування граничного шару на межі поділу фаз.

Під час визначення ефективного коефіцієнта теплопровідності випливає, що його значення залежить від коефіцієнта теплопровідності граничного шару[1], а саме l для елементарної комірки рівний:

                 (6)

У формулі (6) фігурує ефективна товщина ГШ –, яка являється однією з кількісних мір взаємодії полімера з наповнювачем.

Визначення lгш
 дозволяє розрахувати об’ємний вміст граничного шару у гетерогенній полімерній системі. Розглянемо метод її визначення запропонований у [1].

В наповнених полімерних системах дисперсна частинка наповнювача оточена ГШ, що являє собою третю компоненту. В області вмісту наповнювача менш критичного (jн<jкр) високодисперсний наповнювач не знаходиться в  вузлах регулярної структури, займає випадкові положення в просторі. Хаотичне розміщення частинок наповнювача, в цьому випадку, важко визначити математично, як це можна зробити в кристалічній решітці. Однак, при jн<jкр наповнену систему можна як і раніше моделювати  вигляді сукупності частинок наповнювача, розділених полімерним прошарком lп, на яких адсорбований ГШ товщиною lгш
.. Таким чином, L= lп+ 2lгш
., де L – відстань між двома частинками наповнювача.

В міру зростання вмісту наповнювача в системі все більша кількість полімерної матриці переходить в стан ГШ. Із рівняння адсорбційної ізотерми слідує, що маса ГШ  m1 в розрахунку на полімер рівна:

m1= М(1 – е-aN)                                         (7)

де a – коефіцієнт пропорційності, N – число частинок наповнювача, М – маса полімерної матриці.

Розглянувши ГШ, як сферичний прошарок товщини lгш  отримаємо, що ефективний об’єм ГШ полімерної системи, що містить N  частинок наповнювача, буде рівним:

,              (8)

Із рівняння (7) маємо:

                                    (9)

Коефіцієнт a визначимо, як міру активності наповнювача, на основі стрибка теплоємності для наповненого і ненаповненого полімера:

                                                     (10)

При jкр £ jн трикомпонентна система виродиться в двохкомпонентну типу наповнювач-ГШ. Коли буде виконуватись умова jкр = jн, а це можливо для рівномірно диспергованих частинок в полімері, отримаємо залежність:

                                          (11)

де rп – густина полімерної матриці.

Підсумовуючи необхідно відмітити, що об’ємний вміст граничного шару на  межі розподілу фаз полімера і наповнювача впливає на такі теплофізичні характеристики полімерної композиції, як ефективний коефіцієнт теплопровідності та інші.

Аналізуючи результати оцінки (табл. 2.3-1), отримані у [1] під час вимірювання lгш можна зробити наступні висновки.

Табл. 2.3‑1

Отримані результати по визначення ефективного коефіцієнта теплопровідності граничних шарів ПВХ і ПВБ систем представлені в
табл. 2.3-1. Із аналізу якої слідує, що з підвищенням концентрації наповнювача в композиції спостерігається зміна lгш. Так, для систем ПВХ по мірі збільшення вмісту W  або Cu в композиції lгш зростає в усьому діапазоні концентрацій наповнювача. При цьому  lгш залишається більшим l ПВХ. Крім того, lгш близький до l   ПВХ-систем У випадку ІІВБ-композицій при вмісті наповнювача меншому за критичний має місце екстремальне значення  lгш . Найбільш суттєві зміни lгш спостерігаються при вмісті W чи Сu  до 6 об. %. Саме для цієї області вмісту низькомолекулярних наповнювачів відмічається найбільш інтенсивна зміна ряду інших властивостей композицій. При подальшому збільшенні вмісту W і Сu в системі  lгш після досягнення екстремального значення має тенденцію до зменшення до області 15 у 20 об. % наповнювача. Наступне збільшення вмісту високодисперсного W чи Сu знову приводить до росту lгш . Таку залежність можна пояснити "конкуруючими" ефектами, зв'язаними з зміцненням і розрихлюючою дією поверхні наповнювача на полімерну матрицю. Значить, чим більш активний наповнювач у відношенні до ПВХ чи ПВБ, тим більш інтенсивно, в області незначного вмісту (до 6 об. %), проявляється роль ГШ в формуванні теплофізичних властивостей композицій.

ВИСНОВКИ.

Введення наповнювача в полімер призводить до утворення речовин, властивості яких значно відрізняються від ненаповненого полімера. Наповнення полімера високодисперсними матеріалами характеризується виникненням фазового шару.

Граничний шар – це прошарок полімера, властивості якого змінюються під дією поверхні в порівнянні з властивостями полімера або наповнювача в об’ємі. Цей міжфазний шар характеризується деякими досить умовними параметрами: товщина граничного шару, коефіцієнт теплопровідності. Визначити ці параметри безпосередньо дуже складно, тому їх визначають на основі інших характеристик.

Встановлено, що існування межі поділу призводить до суттєвих змін релаксаційної поведінки полімера в міжфазному прошарку, зміні температур склування полімера і також інших властивостей полімерної системи.[3] Все це зв’язано з зміною густини молекулярної упаковки, а також з зменшенням рухливості сегментів полімерних ланцюгів і більших кінетичних елементів внаслідок їх взаємодії з твердою поверхнею.

Властивості гетерогенних полімерних систем визначаються кількістю полімера, який знаходиться в міжфазному прошарку. Кількісний зв’язок між властивостями міжфазного шару, об’ємним вмістом наповнювача і комплексом властивостей полімерних композицій потребує подальшого вивчення.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА.

1.   Колупаєв Б.С., Ліпатов Ю.С., Бордюк М.А., Дем’янюк Б.П. Вивчення полімерних матеріалів в загальноосвітній школі: навчальний посібник. – Рівне, 1993 р., 92 с.

2.   Колупаев Б.С. Релаксационные и термические свойства наполненных полимерных систем. - Львов: Вища школа, 1980.

3.   Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. - М.: Химия, 1991.

4.   Дулънев Γ.H„ Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах .- Л.: Энергоатомиздат, 1991.

5.   Бордюк М.А. Волошин О.М., Колупаев Б.С., Липатов Ю.С.//УФЖ.- 1996- 41, № 4 -c.438-441.

6.   Годовский Ю.К. Теплофизика полимеров,- М.: Химия, 1982.

7.   Колупаев Б.С. Физико-химия полимеров,- Львов: Вища школа, 1976.

8.   Колупаев Б.С; Демьянюк Б.П., Муха Б.И. Бордюк Н.А. //Композиц. полимер. материалы- 1984 - Вып. 23 - с.20-23.

9.   Бордюк Н.А., Колупаее Б.С., Волошин О.М. // Физика и техника высоких давлений.-1995-№3-с.49-58.

10.         Колупаєв Б.С., Бордюк М.А., Ліпатов Ю.С. //Доп. НАН України - 1995 - № 8 -с. 112-114.

11.         Кравченко С. Мониторы завтрашнего дня.//Chip. №11 – 1999 р., ст.24-26.