ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ Глазырин А.Б.,Басыров А.А.,Колтаев Н.В.,Нургалеев И.И.,Николаева А.А.

Башкирский государственный университет, г. Уфа


Номер: 1-1
Год: 2017
Страницы: 51-56
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

электропроводность, технический углерод, пластифицирующие добавки, процессинговые добавки, полимерные композиции, 3D печать, electrical conductivity, carbon black, plasticizers, processing aids, polymer composition, 3D printing

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Изучено влияние природы технического углерода и полимерной матрицы на электропроводность. Установлено влияние пластификаторов на электрические свойства угленаполненных полимерных композиций на основе 1,2-СПБ и СБС. Исследованы влияния содержания пластификаторов на электропроводность полимерных композиций 1,2-СПБ/ТУ/масло ПН-6; 1,2-СПБ/ТУ/ДОФ; СБС/ТУ/масло ПН-6; СБС/ТУ/ДОФ.

Текст научной статьи

В современной технике имеются задачи, например, низкотемпературный электронагрев, экранирование датчиков и конструкций радиоэлектронной аппаратуры, измерение статистического давления и так далее, решение которых представляется путем применения полимерных композиционных материалов (ПКМ). Эта идея не является новой, однако благодаря широким возможностям в изменении и совершенствовании свойств ПКМ, их применение увеличивается. В таких ПКМ матрицей является полимер, а наполнителем какой-либо токопроводящий порошок. В качестве наполнителя, в основном, используют различные порошки металлов, в том числе и благородных, углеродные порошки, диэлектрические порошки с токопроводящим покрытием. Свойства таких материалов будут определяться с одной стороны природой и свойствами компонентов, и концентрацией наполнителя, с другой - распределением наполнителя в матрице, типом структур, которые образуют частицы наполнителя, контактными взаимодействиями между частицами и процессами на поверхности наполнителя. Основное отличие наполнителя в ПКМ от материалов в блоке - распределение его в полимерной матрице в виде отдельных, не связанных друг с другом частиц. Поэтому свойства ПКМ, по сравнению со свойствами материала наполнителя, являются сильно пониженными [1]. Целью данной работы являлось изучение электропроводящих свойств полученных материалов. При этом решались следующие задачи: 1. Определение зависимости электропроводности наполненных полимеров от природы полимерной матрицы. 2. Проведение сравнительной оценки влияния дисперсности и марки технического углерода на электропроводность наполненных полимеров различной природы. 3. Изучение влияния низкомолекулярных наполнителей на электропроводность угленаполненных композитов. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Исходные вещества: 1,2-СПБ, СБС марки LG, ПЭ марки 2287, ПП марки 01270, ПВА марки М 10, ТУ марки Printex XE-2B, ТУ марки П-805Э, ТУ марки УВИС АКП, пластификатор ПН-6, пластификатор диоктилфталат, полиэтиленовый воск «Naftolube PE», полиметилсилоксан «Akkat PE/F 104350», фторопластовая добавка «PREADD PA 143», стеарат цинка. Оборудование: 3D принтер шнекового типа (L/D = 10; точность позиционирования сопла 50 мкм), кондуктометр (диапазон измерений 1 Ом - 2 мОм, относительная погрешность 0,5%). Полимерные композиции были компаундированы с получением филаментов диаметром 4мм. Измерение удельной электропроводности полимерных композиционных материалов (ПКМ) проводили на цилиндрических образцах длиной около 2 см и диаметром 4 мм контактным способом. Эффективность контакта между измерительным электродом и измеряемым образцом обеспечивали с помощью токопроводящего клея "Контактол". Расчет удельного электрического сопротивления проводили по формуле: (1) где: ρ - удельное сопротивление, Ом×мм2/см; R - сопротивление образца, Ом; r - радиус образца, мм; l - длина образца, cм. Логарифм удельной электропроводности определяли по формуле: (2) ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Известным способом направленного регулирования механических свойств, а также электропроводности полимеров является введение в их состав наполнителей. Электропроводящие углеродные наполнители при введении их в полимерную матрицу способны обеспечивать значительное снижение электрического сопротивления композиционного материала по сравнению с сопротивлением исходного полимера. Установлено, что введение технического углерода в состав полимерной композиции приводит к резкому увеличению электропроводности (рис. 1). При этом на кривой зависимости проводимости угленаполненных композиций от содержания наполнителя можно выделить три участка: A-начальный пологий участок, характеризующийся низкими значениями электропроводности. B-участок характеризующийся резким увеличения проводимости. С-пологий участок соответствует незначительному увеличению проводимости. Рис. 1. Зависимость электропроводности наполненных полимерных композиций от природы наполнителя и содержания наполнителя: 1. ПЭ2287- ТУ Printex XE-2B; 1. ПП 01030- ТУ Printex XE-2B; 1. ПВАМ 10 - ТУ Printex XE-2B; 2. СБС LG - ТУ Printex XE-2B; 3. ПЭ 2287- ТУ П805Э; 4. ПП 01030 - УВИС АК-П. На основе экспериментальных данных установлено, что электропроводность композиций, наполненных ТУ, в случае ПВА, полиэтилена и полипропилена, не зависит от природы полимерной матрицы (рис. 1). Полимерные композиты на основе полиэтилена и полипропилена содержащие ТУ марки Printex XE-2B демонстрируют практически близкие значения электропроводности при одинаковом содержании технического углерода. При содержании Printex XE-2B 15% электропроводность полимерного материала на основе ПЭ составляет 6,33 Ом×мм2/см, на основе ПВА 6,24 Ом×мм2/см, тогда как в случае ПП данный параметр равен 6,30 Ом×мм2/см. Иная картина наблюдается при использовании в качестве электропроводящего наполнителя углеродных волокон марки УВИС АК-П. Участок А на кривой зависимости концентрации наполнителя от электропроводности значительно меньше чем в случае использования Printex XE-2B и П805Э. Так рост электропроводности наблюдается при содержании наполнителя ниже 3 масс.%. Данное обстоятельство возможно связано с тем, что углеродные волокна более склонны к образованию электропроводящей сетки по сравнению с техническим углеродом. Кроме того, в интервале содержания углеродных волокон от 5 до 50% наблюдается практически прямолинейная зависимость логарифма электропроводности полимерных композиций от содержания углеродных волокон. Данный характер участка кривой связан, по-видимому, с ростом количества контактов во взаимопроникающей углеродной сетке с увеличением концентрации углеродных волокон, которая в свою очередь приводит к росту электропроводности полимерной композиции. Следует отметить, что электропроводность полимерной композиций полученных на основе углеродных волокон в целом ниже, чем электропроводящих ПКМ полученных на основе технического углерода. Так при содержании ТУ 20% марки Printex XE-2B lg(σ) составляет -0,77, тогда как при концентрации УВ 20% lg(σ) значительно ниже и равен -5,08. Указанное по-видимому следует связывать с природой электропроводящих частиц, а именно с более низкой электропроводностью углеродных волокон по сравнению с техническим углеродом. Значительные отличия в электропроводности наполненных полимеров, возможно, объясняются различным размером и формой частиц технического углерода, вводимого в полимерную матрицу. В связи с этим изучено влияния дисперсности и гранулометрического состава использованных марок технического углерода. Установлено что использованные марки ТУ существенно отличаются дисперсностью и размерами составляющих частиц. Средний диаметр частиц в ТУ марки П805Э составляет 8,7 мкм, тогда как в ТУ марки Printex XE-2B составляет 18,2 мкм. Электропроводящие марки технического углерода можно охарактеризовать поглощением жидкого дибутилфталата (ДБФ). Так на основе литературных данных [2] установлено что технический углерод марки Printex XE-2B поглощает 410 см3/100г, тогда как технический углерод марки П805Э поглощает 113 см3/100г ДБФ. Таким образом технический углерод марки Printex XE-2B характеризуется высокой степенью структурированности и значительно меньшими размерами частиц по сравнению с технический углерод марки П805Э. Этим возможно и объясняется низкий порог электропроводности полимерных композиционных материалов на основе ТУ Printex XE-2B. Электропроводящие углеродные наполнители при введении их в полимерную матрицу способны обеспечивать значительное снижение электрического сопротивления угленаполненных полимерных композиций по сравнению с сопротивлением исходного полимера. Для получения эластичных материалов для 3D-печати были выбраны пластифицированные аморфные полимерные композиции на основе СБС и 1,2-СПБ. Как следует из экспериментальных результатов, введение пластификатора оказывает существенно влияние на электропроводность полимерных материалов как на основе СБС, так и на основе 1,2-СПБ (рис. 2,3). Так с увеличением содержания пластификатора масла ПН-6 от 10 до 50 масс.%, в полимерной композиции на основе СБС включающий ТУ Printex XE-2B 15 масс.%, наблюдается уменьшение электропроводности от -1,08 до -1,51 Ом×м (рис.2). Тогда как в случае полимерной композиции на основе 1,2-СПБ/ТУ, наполненной ПН-6 уменьшается от -2,26 до -3 Ом×м. с повышением содержания пластификатора от 0 до 45 масс.% (рис.3). Аналогичная зависимость наблюдается и в случае использования ДОФ в качестве пластификатора. Так с увеличением содержания пластификатора ДОФ от 10 до 50 масс.%, в полимерных композициях на основе СБС, включающих ТУ Printex XE-2B 15 масс.%, электропроводность снижается от -1,07 до -1,34 Ом×м и на основе 1,2-СПБ от -2,27 до -2,98 Ом×м соответственно. Рис. 2. Зависимость электропроводности полимерных композиций на основе СБС LG-501, от содержания пластификатора (содержание ТУ марки Printex XE-2B 15%). 1-СБС/ДОФ/ТУ; 2-СБС/масло ПН-6/ТУ. Рис. 3. Зависимость электропроводности от степени пластификации (содержание ТУ марки Printex XE-2B 15%, 98,8 Н; 150°С). 1-1,2-СПБ/ДОФ/ТУ; 2-1,2-СПБ/масло ПН-6/ТУ. Наблюдаемое уменьшение электропроводности полимерных материалов, с введением пластификатора, следует связывать с увеличением текучести полимерной матрицы и «изоляцией» полимером электропроводящих зон полимерного материала. Следует отметить, что для полимерных композиций, содержащих пластификатор ДОФ, наблюдается меньшее падение электропроводности, что следует связать с малой совместимостью ДОФ с 1,2-СПБ и СБС, что в свою очередь, в меньшей степени способствует возрастанию текучести полимерной матрицы и «изоляции» полимером электропроводящих зон полимерного композиционного материала [3]. Таким образом введение, пластифицирующих добавок, таких как масло ПН-6 и ДОФ, в аморфные полимеры способствуют уменьшению электропроводности полимерных композиций. Причем степень уменьшения электропроводности коррелируется совместимостью пластификатора с полимерной матрицей. Выбор ПЭ для изучения свойств полимерных композитов, содержащих процессинговые добавки, обоснован тем, что из композиций на основе ПЭ могут быть получены трехмерные прототипы с хорошим сочетанием электропроводящих, физико-механических и эксплуатационных свойств [4,5]. Однако переработка полимерных композиций на основе ПЭ наполненного техническим углеродом, в следствии низкой текучести расплавов, часто возможно только с использованием процессинговых добавок. В связи с этим представляло интерес изучения влияния процессинговых добавок на электропроводность полимерных композитов на основе ПЭ наполненного ТУ Printex XE-2B. Рис. 4. Зависимость электропроводности композитов на основе ПЭ (содержание ТУ марки Printex XE-2B 15%, 98,8 Н; 150°С) от содержания добавок: стеарат цинка-1, воск-2, фторопластовая добавка - 3, ПМС - 4. Количествах до 1,0 масс.% все исследованные добавки мало влияют на структуру ПЭ/ТУ композитов и на электропроводность (рис. 4). Однако при содержаниях стеарата цинка свыше 1,0 масс.% начинается заметное падение электропроводящих свойств. Это можно связать с указанным выше диспергирующим действием этой добавки в исследуемой системе ПЭ/ТУ. Уменьшение агломерации частиц ТУ в полиэтилене создает тенденцию увеличения средних расстояний между частицами ТУ, что и приводит к уменьшению количества токопроводящих каналов в системе. Можно отметить, что аналогичное влияние стеарата цинка на электропроводность наблюдается при минимальных содержаниях (уже при 0,5 масс.%). Влияние стеарата цинка через увеличение среднего расстояния между частицами ТУ в этом случае более эффективно, так как оно накладывается на процессы, связанные с плавление ПЭ. В отличие от введения стеарата цинка введение в ПЭ/ТУ композиты ПМС и фторопласт вызывают рост электропроводящих свойств при содержаниях более 1,0 масс.%. Действие обеих неполярных внешних смазок схоже и, вероятно, связано со снижением эффективности смешения компонентов в расплаве ПЭ и ухудшением диспергирования ТУ в полимере. Таким образом, влияние процессинговых добавок на электропроводящие свойства полимерной композиции на основе ПЭ зависит от природы смазок. Слабо совместимые добавки ПМС и фторопластовая добавка снижают электропроводность угленаполненной полимерной композиции, совместимые добавки стеарат цинка и воск увеличивают электропроводящие свойства угленаполненной полимерной композиции. Вывод 1. Установлено, что при использовании высоко структурированной марки технического углерода Printex XE-2B достигается наиболее высокая электропроводность более 6,33 Ом×мм2/см. При это электропроводность полимерных композитов не зависит от природы полимерной матрицы. 2. Показано, что введение пластификаторов приводит к росту значения барьерного сопротивления полимерной композиции. Полимерные композиции, содержащие пластификаторы от 0 до 50 масс.% приводят к уменьшению электрического сопротивления от -2,26 до -3 Ом×м при содержании масло ПН-6 и от -1,07 до -1,51 Ом×м при содержании ДОФ. 3. Установлено, что влияние смачивающих агентов на электропроводящие свойства полимерных композитов зависит от природы добавок. Так введение слабо совместимых добавок с полимерной матрицей приводит к уменьшению электропроводности от -3,63 до -4,1 Ом×м. Тогда как введение совместимых добавок приводит к увеличению электрической проводимости от -3,63 до -2,87 Ом×м.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.