Рокицька Галина, Cопронюк Світлана

Науковий керівник:д.ф.-м.н., професор, академік НАПН України Шут М.І.

Національний педагогічний університет імені М.П. Драгоманова

Анотація: В статті розглядається теплопровідність системи пентапласт – AgI та метод його дослідження. Наведені та проаналізовані температурні залежності теплопровідності.

Ключові слова: теплопровідніст, полімер, пентапласт, суперіонік, AgI.

Модифікування полімерів дисперсними наповнювачами є ефективним методом керованого регулювання фізичних властивостей матеріалів, що дозволяє суттєво розширити межі використання виробів із них. У ряді випадків до полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) ставляться нетрадиційні підвищені вимоги щодо їх теплопровідності. Особливий інтерес представляють собою композиційні матеріали до яких ставляться вимоги зміни знаку приросту теплопровідності при певних температурах для керованого тепловідводу.

Теплопровідність - це перенос теплоти структурними частинками речовини(молекулами, атомами, електронами) у процесі їхнього теплового руху. Коефіцієнтом теплопровідності є кількісна оцінка здатності конкретної речовини проводити тепло. У стаціонарному режимі потік теплової енергії, що передається за допомогою теплопровідності, пропорційний градієнтові температури:

 (1)

де ΔQ - вектор потоку тепла - кількість енергії , що проходить в одиницю часу через одиницю площі, перпендикулярної напрямку переносу тепла, λ - коефіцієнт теплопровідності, T - температура. Це співвідношення відоме як закон теплопровідності Фур’є.

В якості дисперсного наповнювача було обрано суперіонік йодид срібла (AgI) марки “Ч”.  Цей клас речовин має ряд унікальних властивостей: в більшості – це діелектрики, при нагріванні яких до температур, значно нижчих від температур плавлення, стрибкоподібно (на 2 – 5 порядків) збільшується їх електропровідність за механізмом іонної провідності.

В якості полімерної матриці було вибрано порошкоподібний пентапласт промислового виробництва марки БП. Пентапласт є високомолекулярним простим ефіром. Початковоюсировиною для його синтезу служить пентаеритрит. Вироби зпентапласту можуть експлуатуватися при температурі до 120-130°С, а короткочасно–до 135-150°С.

Зразки системи пентапласт – дисперсний AgI готували у наступному термо-баро-часовому (T-p-t) режимі: нагрівання зі швидкістю 3,5 К/хв, витримка при 483 К протягом 15 хв під тиском 20 МПа, охолодження з розплаву з швидкістю 0,5 К/хв, що відповідає найкращим технологічним умовам переробки композиту з урахуванням властивостей як наповнювача, так і полімерної матриці [1].

Вимірювання температурної залежності теплопровідності проводили при неперервній зміні температури нагрівника в режимах, близьких до регулярного нагріву з використанням динамічного l - калориметра, що являє собою модернізований вимірювач теплопровідності “ИТ-l-400”, блок-схема якого, представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Блок-схема установки для визначення теплопровідності полімерних композиційних матеріалів

До складу установки входять: вимірювальний блок 4, вимірювальна комірка 5, блок живлення 1, блок регулювання 2, блок реєстрації. Блоки живлення та регулювання 1 і 2 забезпечують подання зростаючої у часі напруги на основний нагрівач. Крім того, блок регулювання 2 має регулятор температури, який забезпечує адіабатичність теплової схеми приладу. Вимірювальний блок 4 має вимірювальну комірку 5 та систему вимірювальних термопар. Досліджуваний зразок 9, пластина 7, контактна пластина 8 та стержень 10 нагріваються тепловим потоком, який подається від системи до основи 6; бічні поверхні стержня 10, зразка 9, пластин 7 та 8 адіабатично ізольовані. Блок реєстрації 3 складається з підсилювача постійного струму Ф-136 та потенціометра КСП-4.

Відносна похибка при дослідженні теплопровідності становила ε=±3 %.

Результати дослідження теплопровідності свідчать про монотонне зменшення теплопровідності в інтервалі температур 113 – 419 К з тенденцією більш інтенсивної зміни при низьких температурах (113 – 208 К) для чистого полімера. Для AgI інтенсивність зміни теплопровідності нижче температури фазового переходу діелектрик – суперіонік подібна до кристалічних діелектриків - з підвищенням температури значення теплопровідності зменшується (рис. 2).

При малому вмісті дисперсного наповнювача теплопровідність ПКМ низька і близька до теплопровідності полімера і забезпечується реалізацією фононного механізму у наповнювачі, кристалічних, а також за рахунок провідності кінетичними елементами аморфних ділянок полімеру за дифузійним механізмом.

 При концентраціях С_V> 42 % значення λ композитів наближається до відповідних значень коефіцієнтів теплопровідності наповнювача [2] за рахунок збільшення вмісту більш теплопровідного наповнювача (при Т = 103 К ), а при С_V = 69 % навіть перевищує її за рахунок сумарного внеску механізмів провідності полімерної матриці та дисперсного наповнювача.

 

Рис. 2. Температурні залежності теплопровідності композитів системи пентапласт - AgI

Деяке підвищення теплопровідності чистого пентапласту та композитів з низьким вмістом наповнювача на графіку температурної залежності теплопровідності при температурах вищих 393 К відбувається за рахунок порушення режиму вимірювання як наслідок процесів передплавлення полімерної матриці, зміни її в’язкості і товщини зразків під дією масивного тепловоду. При підвищенні концентрації йодиду срібла цей ефект практично зводиться до нуля внаслідок утворення жорсткого каркасу з частинок наповнювача і малої сумарної деформації композитів.

Отже, а результатами досліджень було виявлено, що з підвищенням концентрації наповнювача теплопровідність підвищується, це пов’язано з різницею в теплопровідності полімерної матриці і наповнювача. Підвищення значення теплопровідності композитів системи пентапласт - AgI лежить в допустимих межах, що дає можливість широкого практичного застосування.

Список літератури:

1. Рокицький М.О., Кирилов Д.В., Янчевський Л.К., Левандовський В.В. Технологія та пристрій для приготування термопластичних ПКМ методом пресування // Науковий часопис НПУ імені М.П. Драгоманова. Серія 1. Фізико-математичні науки. – 2004. - №5. – c.58-62.
2. Рокицький М.О., Шут М.І., Махно С.М., Левандовський В.В., Горбик П.П. Тепло- та електропровідність композитів системи пентапласт – дисперсний суперіонний провідник (AgI) // XXII науч. конф. стран СНГ “Дисперсные системы”. – Одеса: Астропринт, 2006. – С.285-286.