Галина Рокицька, Тамара Стрельникова
Науковий керівник:к.ф.-м.н., доцент Рокицький М.О.
Національний педагогічний університет імені М.П. Драгоманова
Анотація: В статті розглядається теплове розширення системи пентапласт – AgI та метод його дослідження. Наведені та проаналізовані температурні залежності температурного коефіцієнта лінійного розширення.
Ключові слова: теплове розширення, полімер, пентапласт, суперіонік, AgI.
Бурхливий розвиток виробництва різноманітних полімерів в другій половині ХХ століття привів до впровадження полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) в усіх сферах життя людини. Завдяки ряду властивостей, зокрема, стійкості до атмосферних впливів та агресивних середовищ, низької газо- та паропроникності, полімерні матеріали широко використовуються в якості покриттів. Проте в атмосферних умовах зміни температур довговічність використання полімерних покриттів поверхонь виробів обмежується різницею температурних коефіцієнтів лінійного розширення (ТКЛР) підкладки та покриття. У цьому полягає актуальність даного дослідження.
Метою дослідження було дослідити особливості теплового розширення ПКМ системи пентапласт –AgIдилатометричним методом.
Для досягнення мети дослідження слід наблизити значення ТКЛР покриття та матеріалу поверхні підкладки, що може бути здійснено завдяки використанню в якості покриття ПКМ з наповнювачами, які мають практично нульові або від’ємні ТКЛР та шляхом оптимального вибору режиму термообробки композиту.
В якості полімерної матриці було використано пентапласт (пентон, полі-3,3-біс(хлорметил)оксациклобутан) - безбарвний термопластичний лінійний полімер. Його формула має вигляд:
Пентапласт стійкий до дії розчинників, а також характеризується високою теплостійкістю. Має високу хімічну стійкість та стійкий до дії концентрованих мінеральних кислот при нагріванні до 100°С. Вироби з пентапласту не проявляють хладотекучості, не мають великих внутрішніх напруг і здатні зберігати задані розміри. Пентапласт добре переробляється литтям під тиском, екструзією з роздуванням, вакуум- і пневмоформуванням, добре зварюється в струмені гарячого повітря.
В якості дисперсного наповнювача було обрано йодид срібла (AgI) марки “Ч”. Йодид срібла – жовто-зелена кристалічна речовина, яка погано розчиняється у воді, так при 298 К в 100г води розчиняється 0,25∙10-6 г. Помітно розчиняється в концентрованих розчинах йодидів лужних металів, особливо при нагріванні. Йодид срібла отримували з розчину нітрату срібла при додаванні йодиду калію:
АgNО3 + КІ АgI↓ + КNO3.
Йодид срібла AgI– типовий представник суперіонних провідників (твердих електролітів). 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.
Для приготування зразків композиту частинки пентапласту розмірами 40 ÷ 50 мкм і частинки йодиду срібла розмірами 1 ÷ 6 мкм попередньо механічно змішували після чого пресували з наступним (p - T - t) режимом: нагрівання зі швидкістю 0,06 К/с, витримка при 483 К протягом 900 с під тиском 20 МПа та охолодження з розплаву з швидкістю 0,008 К/с, що відповідає оптимальним технологічним умовам переробки композиту з урахуванням властивостей як наповнювача, так і полімерної матриці. Теплове розширення ПКМ системи пентапласт - AgI досліджували в інтервалі температур 193 – 493 К.
Для визначення ТКЛР (a) нами була використана установка, яка поєднує в собі частини модифікованого дилатометра індукційного типу та кварцового дилатометра. Як еталон використано інвар – сплав, який має найнижчий коефіцієнт лінійного розширення. Блок-схема установки наведена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема установки для дослідження лінійного розширення
Установка складається з термокриокамери – А, яка виготовлена з інвару і складається з комірки для зразка 1, зразка 2, штока 3, платформи з немагнітного матеріалу 4, нагрівника 5, охолоджувача 6 та вимірювальної системи – Б.
Вимірювальна система включає в себе: індикатор вимірювання довжини 7, підсилювач ГУЧ, диференціальну термопару 9, В – блок живлення; манометр 8 з годинниковим механізмом; потенціометр КСП-4. Джерело живлення разом із годинниковим механізмом забезпечує подання на нагрівник наростаючої в часі напруги, що в свою чергу дає можливість здійснити заданий режим нагрівання. При нагріванні зразок піднімає шток 3 з платформою 4. Індикатор – вимірювач довжини 7 та підсилювач ГУЧ забезпечують вимірювання зміни розмірів зразка.
На рис. 2 наведені температурні залежності ТКЛР композитів системи пентапласт – AgIза різних концентрацій.
На температурних залежностях ТКЛРкомпозитів системи для вмісту наповнювача від 0 по 42 % включно,спостерігаються три стрибки значень ТКЛР.
Рис. 2. Температурні залежності ТКЛР системи пентапласт – AgI;
1 – 0 %, 2 – 20 %, 3 – 27 %, 4 – 36 %, 5 – 42 %, 6 – 58 %, 7 – 100 %
Перший стрибок величини α пов’язаний із низькотемпературною складовою склування полімерної матриці, другий – із високотемпературною складовою процесу склування, і третій, при температурі Т > 403 К – із процесами передплавлення полімерної матриці. Починаючи від концентрацій 58 % і вище останні два процеси не спостерігаються внаслідок зменшення у композитах частки полімерної матриці.
Деяке пониження значення ТКЛР для композитів із концентраціями від 0 по 27 % включно викликано збільшенням у полімерних композитах системи частки α - модифікації пентапласту за рахунок зменшення частки β - модифікації, відповідно і нижчим по відношенню до β - модифікації, значенням ТКЛР α - модифікації [1]. Пониження значень коефіцієнта α, властиве всім композитам системи. Із збільшенням вмісту дисперсного наповнювача, на наш погляд, це можна пояснити переважаючим внеском ТКЛР наповнювача у загальний ТКЛР композитів. Така залежність дозволяє керувати значенням ТКЛР композитів у широких межах і при концентраціях AgI 58 ≤ φ < 100 % дозволяє отримати композиційні матеріали з практично нульовим ТКЛР.
Таким чином, завдяки аномальному від’ємному значенню ТКЛР AgI ПКМ на його основі мають показники ТКЛР, близькі до значень відповідного коефіцієнта для низькомолекулярних матеріалів. У поєднанні з унікальною теплопровідністю та високою хімічною і антифрикційною стійкістю пентапласту, це дозволяє вирішити завдання довговічності покриттів із композитів системи на основі пентапласту та йодиду срібла. Окрім того, композити системи пентапласт - AgI характеризується високою поглинальною здатністю ультразвукового та електромагнітного випромінювання [2], що дозволяє використовувати матеріали системи в якості захисних покриттів від високочастотного електромагнітного та ультразвукового випромінювання і суттєво розширює межі їх застосування.
Список літератури:
- Шут М.І., Рокицька Г.В., Рокицький М.О., Левандовський В.В., Оранська О.І. Рентгенографічні дослідження матрично-дисперсної системи на основі пентапласту та йодиду срібла // Науковий часопис НПУ імені М.П. Драгоманова. Серія 1. Фізико-математичні науки, Київ: НПУ імені М.П. Драгоманова. – 2011. – № 12. – с. 6-12.
- Шут М.І., Рокицький М.О., Рокицька Г.В., Шут А.М., Левандовський В.В. Фізико-механічні властивості полімерних композиційних матеріалів на основі пентапласту та дисперсного йодиду срібла // Физика аэродисперсных систем. – 2013. – Вып. 50. – с. 23-32.