авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Электрические и релаксационные свойства нанокомпозитов на основе эпоксиполимеров и полибутилентерефталата

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Магомедов Магомедзапир Рабаданович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ

СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИПОЛИМЕРОВ И ПОЛИБУТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА

Специальность 02.00.06 – высокомолекулярные соединения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нальчик 2013

Работа выполнена на кафедре общей, экспериментальной физики и методики её преподавания Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Дагестанский государственный педагогический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Магомедов Гасан Мусаевич

Официальные оппоненты: Кунижев Борис Иналович

доктор физико-математических наук, профессор,

Кабардино-Балкарский государственный

университет им. Х.М. Бербекова,

профессор кафедры теоретической физики

Разумовская Ирина Васильевна

доктор химических наук, профессор, Московский

педагогический государственный университет,

заведующая кафедрой физики твердого тела

Ведущая организация: Институт биохимической физики

им. Н.М. Эмануэля РАН

Защита диссертации состоится «28» февраля 2013 г. в 1500 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.076.09 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, диссертационный зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова

Автореферат разослан «25» января 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Т.А. Борукаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследование композиционных материалов, состоящих из полимерной матрицы и «наноразмерного» наполнителя, является в настоящее время бурно развивающимся научным направлением физики высокомолекулярных соединений. Использование нанокомпозитов вместо чистых полимеров становится особенно актуальным в связи с тем, что такой наполнитель придает материалу свойства, недостижимые «обычными» полимерными композиционными материалами. Среди этих свойств можно выделить повышение модуля упругости, повышенную прочность, теплостойкость, диэлектрические и электрические свойства, пониженную газопроницаемость и высокую огнестойкость, долговечность полученных композиционных материалов. Введение нанонаполнителей оказывает существенное влияние на физико-химические характеристики полимерных материалов. В большей мере это связано с возникновением межфазных слоев полимерной матрицы вблизи поверхности наполнителя.

Для получения композитов с требуемыми свойствами смешивают полимеры и наполнители, а в последнее время и нанонаполнители, которые отличаются друг от друга по химическому строению и свойствам. Изучение их свойств необходимы для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств и совершенствования технологии их изготовления и переработки. Наиболее перспективными являются композиты с наполнителем на основе частиц слоистых силикатов (глин, монтмориллонитов). Введением наночастиц органоглины в полимерную матрицу удается улучшить термическую стабильность, механические и другие физические свойства полимеров. Достигается это благодаря объединению комплекса свойств органического (легкость, гибкость, пластичность) и неорганического (прочность, теплостойкость, химическая устойчивость) материалов.

В настоящее время недостаточно исследовано влияние состава нанокомпозитов, природы нанонаполнителей, режимы и обработки композиции в различных режимах на электропроводность и релаксационные свойства. Мало изучена также связь между структурными, релаксационными и электрическими свойствами композиционных наноматериалов. Не проведено сравнение физических свойств полимерных нано- и макрокомпозитов, а также теоретических моделей и экспериментальных данных.

Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение особенностей электрических и релаксационных свойств и структурообразования нанокомпозитов на основе сетчатых (эпоксидных) и линейных (ПБТ, ПЭНП) полимеров.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- исследование электрических и релаксационных свойств сетчатых и линейных полимеров, нано- и макрокомпозитов на их основе;

- изучение влияния молекулярной подвижности на электрические и релаксационные свойства полимеров, нано- и макрокомпозитов на их основе;

- исследование взаимодействия полимерной матрицы и частиц наполнителя;

- анализ механизмов формирования структуры полимерной матрицы и межфазных слоев в композите;

- установление влияния структуры матрицы и межфазных слоев на их физические свойства;

- проведение сравнительного анализа зависимости электропроводности от температуры сетчатых и линейных полимеров, нано- и макрокомпозитов на их основе;

- обсуждение структурных и физических свойств наноматериалов в рамках фрактального анализа и теории перколяции;

- создание современной физической модели для исследования влияние адсорбированной влаги на электрические свойства полимерных нано- и макрокомпозитов;

- проведение сравнительного анализа теоретических моделей и экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

- впервые проведено сравнительное исследование электрических, релаксационных и структурных свойств нано- и макрокомпозитов на основе эпоксидных и линейных полимеров;

- обнаружена аномальная зависимость скорости звуковых волн нанокомпозита ЭП/SiO2 от концентрации нанонаполнителя. Упругие характеристики композита возрастают в высокоэластическом состоянии по мере увеличения концентрации нанонаполнителя SiO2, в то время как в стеклообразном состоянии они уменьшаются;

- обнаружен максимум на зависимости электропроводности от температуры для нанокомпозита, обусловленный молекулами адсорбированной воды (поляризацией и десорбцией);

- проведен фрактальный анализ влияния адсорбции влаги на электрические свойства нано- и макрокомпозитов, предложена теоретическая модель;

- обнаружено появление двух новых 1' и 2' – процессов релаксации в композиции ПБТ+ПЭНП не существующих у исходных ПБТ и ПЭНП, которые связаны с межфазными слоями и размораживанием сегментальной подвижности в них;

- впервые проведено исследование релаксационных свойств нанокомпозитов на основе метакрилата гуанидина с Na - монтмориллонитом и Ca – монтмориллонитом, а также эпоксинанокомпозитов на основе двуокиси кремния;

- установлено хорошее согласие экспериментальных данных по электропроводности с современными моделями теории перколяции.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты сравнительных экспериментальных исследований электрических, релаксационных и структурных свойств некоторых сетчатых и линейных полимерных нано- и макрокомпозитов;

- результаты исследования влияния релаксационных процессов в полимерной матрице на электропроводность;

- результаты анализа температурной зависимости электропроводности с использованием представлений кластерной модели структуры аморфного состояния полимеров и фрактального анализа;

- наличие двух областей в эпоксидном полимере и нанокомпозите связанных с рыхло упакованной матрицей и упорядоченными нанокластерами;

- результаты теоретического исследования полимерных нано- и макрокомпозитов на основе теории перколяции и фрактального анализа и их сравнение с экспериментальными данными для нанокомпозитов при различных физических состояниях полимерной матрицы.

Практическая и научная ценность работы. Результаты исследований могут быть использованы для разработки нанокомпозитов с заданными электрическими, релаксационными и структурными свойствами, для создания материалов современной техники и промышленности: сельскохозяйственной, медицинской, автомобильной, электротехнической, самолето- и ракетостроения, судостроения.

Результаты исследования будут способствовать развитию теории электропроводности полимерных нанокомпозитов и теории неупорядоченных структур.

Результаты работы используются при чтении спецкурса «Физика полимеров, макро- и нанокомпозитов» для бакалавров, специалистов, магистрантов и аспирантов.

Вклад автора. Диссертация представляет собой итог самостоятельной работы автора. Автору принадлежит основная роль в анализе имеющихся литературных данных, постановке задачи, организации и проведении экспериментов, обобщении и анализе полученных результатов, формировании основных положений и выводов. Соавторы работ участвовали в обсуждении полученных результатов.

Автор выражает глубокую признательность профессору ДГПУ С.А. Абакарову за участие в совместных исследованиях и в обсуждении полученных результатов, а также профессору Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН Баженову Л.С., и профессору Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова Микитаеву А.К. за предоставленные образцы и участие в обсуждении экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях: Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007 г.); IV-VI Международных научно-практических конференциях «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2008, 2009, 2010 гг.); X Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры-2009» (Москва - Черноголовка - Волгоград, 2009 г.); ежегодных научно-практических сессиях преподавателей и сотрудников Дагестанского государственного педагогического университета «Современные проблемы науки и образования» (Махачкала, 2009, 2010, 2011 гг.); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах», посвященной 75-летию член-корреспондента РАН И.К. Камилова (Махачкала, 2010 г.); XIV Международной научно- практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010 г.); XV итоговой научной конференции профессорско-преподавательского состава ДГИНХ, (Махачкала, 2011 г.); Международной конференции, посвященной 80-летию Дагестанского государственного университета «ИННОВАТИКА-2011», том II (Ульяновск, 2011 г.); II Всероссийской школы-семинара молодых ученных, посвященной 55-летию создания Института физики и 105-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР Х.И. Амирханова «Физика фазовых переходов» (Махачкала, 2012 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, насчитывающего 149 наименований. Материал изложен на 126 страницах, включая 4 таблицы и 31 рисунка.

Публикации результатов. Основные результаты работы отражены в 22 работах, в том числе 3 статьи опубликованы в реферированных российских научных изданиях.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и перечислены задачи, решение которых было необходимо для ее достижения, представлены основные защищаемые положения, научная и практическая ценность, а также новизна полученных результатов.

Глава первая посвящена анализу литературных данных по тематике исследования, в котором содержится анализ данных о структуре, релаксационных и электрических свойствах современных сетчатых и линейных полимеров, нано- и макрокомпозитов на их основе. Взаимодействие нанонаполнителя и полимера приводит к возникновению гетерогенности полимерной матрицы на различных уровнях структурной организации, что влияет на их молекулярную подвижность и электрофизические свойства.

Во второй главе дается описание структурно чувствительных методов релаксационной спектрометрии: динамического механического анализа (изгибных и крутильных колебаний), электропроводности, оптической и электронной микроскопии, а также стандартные методы определения упруго-прочностных характеристик. Использование этих методов позволяет получить более полную информацию об электрических, релаксационных, структурных свойствах композитов, а также об их межфазном взаимодействии. Здесь же дана характеристика объектов исследования. Согласно цели исследования были выбраны: современные сетчатые и линейные полимеры, нано- и макрокомпозитов на основе связующих: эпоксидианового полимера ЭДТ-10, ЭД-20, полибутилентерефталата (ПБТ), полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), метакрилата гуанидина (МАГ).

В качестве дисперсных, волокнистых наполнителей композитов использованы: диоксид кремния SiO2 с размером частиц ~ 10 нм, монтмориллонит (ММТ), слоистый силикат – Na монтмориллонит (Na-ММТ), слоистый силикат – Са монтмориллонит (Са-ММТ), и композиты на их основе, а также стеклянные волокна имеющие структуру, аналогичную SiO2.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию электрических и релаксационных свойств полимерных нано- и макрокомпозитов на основе сетчатых полимеров и содержит результаты теоретических расчетов моделей и их сравнение с экспериментом.

Для получения целостной картины электрических свойств и релаксационных переходов сетчатых полимерных нано- и макрокомпозитов проведено исследование электрических и релаксационных свойств компонентов: эпоксидных полимеров на основе ЭД-20, нанокомпозита на основе логического ряда материалов: исходных полимеров, нано- и макрокомпозитов с различным содержанием наполнителя диоксида кремния SiO2, макрокомпозитов - эпоксистеклопластиков (ЭСП) на основе матриц ЭДТ-10 стекловолокон (СВ) и композита в целом.

Зависимость электропроводности () от температуры исходных полимеров и композитов на их основе имеет сложный вид (рис. 1, 2).

Рис. 1. Температурная зависимость электропроводности исходного полимера на основе ЭД-20 -1 и нанокомпозитов на основе ЭД-20 и наночастиц SiO2: 1,5 % SiO2 - 2; 3% SiO2 – 3; 5% SiO2 – 4,

(при прямом измерении с повышением температуры 1, 2, 3, 4 и при обратном ходе с понижением температуры 1', 2', 3', 4'.

Рис. 2. Температурная зависимость электропроводности эпоксистеклопластиков на основе ЭДТ-10: 1 – вдоль волокон, 2 – перпендикулярно к волокнам, 3 - перпендикулярно к препрегам при прямом измерении с повышением температуры и при обратном ходе с понижением температуры 1', 2', 3'.

Влияние нанонаполнителя SiO2 и макронаполнителя СВ на электропроводность композитов при комнатной температуре выражается в увеличении на 1-2 порядка. Образцы имеют низкую проводимость,

характерную для диэлектриков (10-14 Ом-1·м-1). С увеличением температуры проводимость образцов увеличивается. Причем макронаполнитель СВ дает больший прирост по сравнению с нано SiO2.

При увеличении температуры проводимость всех образцов увеличивается, достигает максимума, а затем и минимума, а с началом перехода в высокоэластическое состояние, уменьшение всех образцов происходит примерно на три порядка (рис. 1, 2). Наличие максимума связывается с десорбцией абсорбированных молекул воды, так как этот пик наблюдается и для нано- и для макрокомпозитов при повышении температуры и не наблюдается при обратном ходе проводимости, т.е. при понижении температуры.

Для высокоэластического состояния характерна ионная проводимость. Излом на графиках обратного хода lg(103/Т) свидетельствует, об изменении механизма проводимости в высокоэластическом и стеклообразном состояниях. Электропроводность эпоксидных стеклопластиков перпендикулярно плоскости препрегов во всем температурном интервале ниже, что связано слоистым расположением СВ в препрегах.

Графики прямого и обратного хода lg(103/Т) показывают, существенное влияние адсорбированных молекул H2O на электрические свойства материала, на связь между чувствительными к влаге Si-O-C, которые могут разрушиться под действием воды и связанное с этим адгезионное взаимодействие между эпоксидным полимером с одной стороны нанонаполнителем SiO2, стекловолокном с другой стороны.

Нужно отметить, что малые концентрации нанонаполнителя SiO2, в частности 1,5%, уменьшают электропроводность композита по сравнению с исходным полимером (рис. 1 кривые 1 - 1', 2 - 2'), в то время как для 3% и 5% SiO2 наблюдаются большие значения . При этом число собственных ионов ЭД-20 увеличивается, как за счет нагревания, так и за счет дополнительных носителей тока, поставляемых наночастицами SiO2 и СВ. Об этом свидетельствует то, что электропроводность нано- и макрокомпозитов увеличивается с ростом концентрации SiO2 и СВ по сравнению с исходным полимером.

Электропроводность полимеров обычно описывается формулой , где 0 – начальная электропроводность, Е - энергия активации, К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура.

По расчетам Е для образцов в высокоэластичном состоянии получается одинаковой и равной Е=0,41 эВ. Она увеличивается для всех образцов в области ниже температуры излома в стеклообразном состоянии. Для образцов с большими концентрациями SiO2 Е=1,14 эВ, что значительно больше, чем для исходного полимера и композита с содержанием 1,5% SiO2, где Е=0,43 эВ.

Установлено, что нанонаполнитель даже при малых концентрациях (3 масс.%) и выше увеличивает электропроводность композита по сравнению с макронаполнителем-стекловолокном, содержание которого в пластике составляет 60-70%.

Исследованием релаксационных свойств полимерных нано- и макрокомпозитов методом динамического механического анализа установлено, что скорость звука при комнатной температуре уменьшается по мере увеличения концентрации нанонаполнителя SiO2, а в высокоэластическом состоянии скорость звука симбатно увеличивается с концентрацией. Обнаружена аномальная зависимость скорости звуковых волн от концентрации нанонаполнителя (рис. 3). Поскольку динамический модуль упругости пропорционален квадрату скорости звука, то упругие свойства в высокоэластическом состоянии композита улучшаются по мере увеличения концентрации нанонаполнителя SiO2.

 Температурная зависимость-3

Рис. 3. Температурная зависимость скорости звука композитов на основе ЭД-20, содержащего нанонаполнитель SiO2: исходного полимера - 1; 1,5% SiO2 - 2; 5% SiO2 - 3.

Наблюдаемые на температурной зависимости tg 1 и 1' – процессы релаксации свидетельствуют о наличии структурной гетерогенности квазидвухфазной системы матрицы нанокомпозита (рис. 4). 1'– переход можно отнести к размораживанию сегментальной подвижности аморфной слабосшитой части полимерной матрицы, 1- к более сшитой структурной части полимерной матрицы-кластере.

 Температурная зависимость-4



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.