CC BY
99
УДК 621.1.016
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ В КОМБИНИРОВАННОМ ФИЗИЧЕСКОМ ПОЛЕ Н.В. Мозговой, Д.В. Попов
Рассматривается метод получения дисперсно-наполненных полимерных материалов повышенной теплопроводности путем воздействия на стадии отверждения расплава полимера термомагнитно-ультразвуковым полем. Экспериментально установлено повышение теплопроводности дисперсно-наполненных полимерных материалов за счет более плотной и равномерной упаковки частиц наполнителя в образовавшихся структурах
Ключевые слова: теплопроводность, полимерные материалы, магнито-ультразвуковая обработка
В различных областях техники находят применение дисперсно-наполненные полимерные материалы (ДНПМ). В ряде случаев их использование ограничивается необходимостью обеспечить хорошую тепловую проводимость через изделие из полимерного материала. Применяемый в настоящее время метод введения в полимерную матрицу металлических порошков [1] малоэффективен в плане повышения теплопроводности полимера и сопровождается снижением механических характеристик. Более эффективным представляется метод, в основу которого заложен эффект от воздействия на полимерный расплав с дисперсным наполнителем ферромагнитной природы постоянным магнитным полем [2]. Под влиянием такого физического поля частицы наполнителя формируются в полимерной матрице в виде стержневых образований , в которых частицы контактируют между собой или близко располагаются относительно друг друга. Естественно полимер с подобной структурой имеет более высокую теплопроводность. Вместе с тем, как показывает микроструктурный анализ обработанного в таком поле ДНПМ, имеет место неравномерное распределение наполнителя и некоторая агрегати-зация, что не способствует хорошей передачи тепла через полимерный материал.
Для создания в полимере структуры с равномерно распределенным и плотно упакованным наполнителем предлагается обработка расплава полимерной композиции при повышенной температуре в магнитном поле с предварительным воздействием ультразвуком. Ранее проведенными исследованиями [3] установлено, что ультразвуковая обработка значительно повышает сплошность полимерной матрицы и равномерность распределения наполнителя, при этом происходит перестройка надмолекулярных структур, что способствует процессу ориентации макромолекул и частиц наполнителя в направлении распространения ультразвука.
Мозговой Николай Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 437670 Попов Дмитрий Викторович - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 437670
Экспериментальная программа исследований состояла из двух этапов. Вначале на специальной установке для термомагнито-ультразвуковой обработки изготавливались опытные образцы, которые затем исследовались на теплопроводность.
Для получения образцов использовалась установка, состоящая из электромагнитного индуктора, двух подвижных башмаков и блока питания. Между полюсами электромагнита располагалась рабочая ячейка с ультразвуковой головкой. В рабочей ячейке помещалась кювета с расплавом полимерной композиции и нагревательный элемент, температура которого фиксировалась с помощью хро-мель-копелевой термопары через потенциометр. Напряженность магнитного поля варьировалась в пределах от 0 до 27-104 А/м путем изменения меж-полюсного расстояния и силы подаваемого на электромагнит тока. Ультразвуковая обработка проводилась при частоте 20 кГ ц. Температура в процессе эксперимента поддерживалась в диапазоне 60 - 70 °С. Продолжительность магнитной обработки образцов составляла 20 - 30 мин. Ультразвуковая обработка не превышала 5 мин.
В качестве образцов применялись полимерные прокладки диаметром 30 мм и толщиной 1 мм из эпоксидной смолы марки ЭДП с полиэтиленпо-лиамином как отвердителем и дибутилфталатом как пластификатором. Наполнителем использовался никелевый порошок марки ПНК (порошок никелевый карбонильный) различной дисперсности. После обработки в магнито-ульразвуковом поле образцы удалялись из кюветы и подвергались плавному охлаждению. Полученные таким образом образцы исследовались затем на теплопроводность на установке, работающей в режиме нестационар-ности по методу двух температурно-временных интервалов [4].
Результаты проведенных исследований приведены на рисунке. Из приведенных данных видно, что при комбинированном воздействии на образцы, как и при магнитной обработке их теплопроводность с повышением напряженности магнитного поля возрастает. При этом комбинированная обработка дает больший эффект прироста теплопровод-
ности образцов, чем только при магнитной обработке.
Зависимость коэффициента теплопроводности полимерной прокладки с порошком из ПНК, обработанной в постоянном магнитном поле (1-3) и термомагнитоультразвуковом поле (1'-3') в зависимости от концентрации наполнителя по массе от полимера: 1,1' - 20%; 2,2' - 30%, 3,3' - 40%.
Увеличение теплопроводности можно объяснить более плотной упаковкой частиц наполнителя в образовавшихся вдоль силовых линий магнитного поля стержневых структурах и равномерным распределением последних под воздействием ультразвука.
Как свидетельствует микроструктурный анализ подвергнутых обработке комбинированным физическим полем образцов из ДНПМ, образующиеся по толщине образцов стержневые структуры из частиц наполнителя с повышением напряженности магнитного поля уплотняются и растут по толщине, захватывая свободные частицы. С увеличением концентрации наполнителя растет число стержней. В реальных условиях трудно установить исчерпывающие закономерности формирования таких структур. Поэтому целесообразно рассмотреть определенную модель формирования структурных образований из частиц наполнителя в полимерной матрице и затем смоделировать процесс теплопереноса через такую систему.
Для разработки подобной модели введем следующие допущения:
1) рассматривается монодисперсный наполнитель ферромагнитной природы в виде частиц сферической формы;
2) под воздействием магнито-утразвукового поля частицы наполнителя в полимерной матрице образуют однородные, выстроенные в направлении силовых линий поля и равномерно распределенные стержневые структуры.
Принимая объем полимерной композиции, составляющей образец как У=8^5 (8, 5 - соответственно поверхность и толщина образца), изобразим объем, занимаемый наполнителем, как
V = с. 100
где С - объемная концентрация наполнителя в
%.
Общее количество частиц наполнителя в данном объеме находится, как
V
т = — (2)
V,
Объем, занимаемый отдельной частицей приведенного диаметра й , находится ж-й3
6
(3)
Отсюда число частиц равняется
6 - £-5-С
т =---------=-
100-ж-й3
(4)
5
Поскольку в одном стержне п = — частиц, то
й
общее число стержней в образце лг 6-£-С
N =-----------=7 (5)
100-ж-й
В инженерной постановке задачи теплопере-носа через стенку из обработанного описанным способом ДНПМ наиболее удобно определять тепловую проводимость а, из которой при необходимости можно найти приведенный коэффициент теплопроводности материала образца в направлении вдоль стержней.
Тепловая проводимость такой системы запишется
а=ап +ан >
(6)
где ап, ан - соответственно тепловая проводимость через полимер и наполнитель.
Первая составляющая из (6) имеет вид
К
«п = 5, (7)
5п
где 5Г - толщина полимера с тепловой про-
Гп
водимостью, аналогичной тепловой проводимости слоя полимера постоянной толщины, эквивалентной объему полимера образца, т.е.
V - V
5у = ^ (8)
п £
Таким образом, тепловая проводимость полимера имеет вид
К- £
ап = —------- (9)
п V - Vн
Тепловую проводимость через стержни можно выразить как
ан =■
К
Здесь 5г, выразится
= —
v. s
Тогда
a. =■
V,
(11)
(12)
Входящий в (12) приведенный коэффициент теплопроводности наполнителя учитывает влияние контактного сопротивления в точках касания частиц.
Подставив в (6) выражения (9) и (12), получим
К- £ К
а = —-----------+ —— (13)
V - V. V.
Использование выражения (13) при точных расчетах затруднено, поскольку предполагается, что тепловая проводимость ан осуществляется через монолитную стенку из материала наполнителя. В тоже время даже при плотной упаковке частиц наполнителя на пути теплового потока возникают термические сопротивления в зоне контакта частиц между собой [5]. Учитывать эти сопротивления чрезвычайно сложно, поскольку проблематично определить площадь обоюдного касания частиц и усилия прижима между ними. В тоже время для получения ориентировочной информации о теплопроводности таких систем можно использовать
уравнение (13), если принять значения К. по данным из работы [6].
Приведенные в данном сообщении результаты проведенных исследований указывают на перспективность выбранной технологии создания ДНПМ повышенной теплопроводности. Они также свидетельствуют о необходимости дальнейших исследований по влиянию комбинированного поля на свойства ДНПМ с наполнителями различной природы, дисперсности и технологии отверждения полимера.
Литература
1. Айбиндер С.Б. Влияние наполнителей на теплофизические, механические и антифрикционные свойства полимеров // Изв. АН Лат. ССР. Сер. физ. и техн. наук. -1983. - №5. - С. 3 - 18.
2. Попов В.М., Новиков А.П., Кондратенко И.Ю. Метод повышения теплопроводности тонкослойных полимерных материалов // Материалы III Российской Национальной конференции по теплообмену. М. - 2002. -Т.7. - С. 224 - 225.
3. Негматов С.С. Технология получения полимерных покрытий. Узбекистан, 1975. - 232 с.
4. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. Л.: Энергия, 1971. - 145 с.
5. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977. -326 с.
6. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.
Воронежский государственный технический университет
THERMAL CONDUCTIVITY OF DISPERSED-FIILED POLYMERIC MATERIALS, PROCESSED
IN COMBINE PHYSICAL FIELD
N.V. Mozgovoy, D.V. Popov
We consider a method of production of dispersed-filled polymeric materials with enhanced thermal conductivity by force of exposure of thermomagnetic-supersonic field at the stage of melt condensation of the polymer.
It has been found experimentally that thermal conductivity of dispersed-filled polymeric materials is enhancing at the cost of more dense and uniform packing of the filler particles in produced structures
Key words: heat conduction, polymer materials, magnet-ultrasonic machining
