ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ, С СОДЕРЖАНИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ САЖИ И АЛЮМИНИЯ

Введение. Развитие и экспериментальное исследование композиционных полимерных материалов с различными физическими свойствами приобретают все большую популярность в связи с расширением их использования в электронной промышленности, электротехнике, медицине и т.д.

В связи с новыми разработками данных полимерных систем начали исследоваться их основные электрофизические, теплофизические, а также физико- механические свойства.  Такие исследования позволяют получить все новые экспериментальные данные о физических процессах, которые происходят в тех или иных композиционных материалах, а также упрощают их структуру на изготовление и переработку в технологической промышленности.

Композиционные полимерные материалы на основе различных видов полимеров, которые обладают свойствами для высокомолекулярных соединений, такие как электропроводность, теплопроводность и механическая прочность находят все большее применение в самых разных областях промышленности. Но при этом композиты выбираются исходя от условий их хранения и эксплуатации: влагостойкость, теплостойкость, механическая прочность, стойкость к действию внешних сред и на переработку их в другие виды полимерных материалов, придерживаясь традиционными способами.

Следует отметить, что в основу данной научной работы лежит интерес к исследованию удельного объемного сопротивления, в зависимости от концентрации наночастиц сажи и алюминия, которые находятся в композиционном полимерном материале.

Как было отмечено ранее, основной идеей настоящей работы является исследование полимерных материалов, с помощью синтетического изопренового каучука, который содержит наноразмерные частицы сажи и алюминия, в самых разных концентрациях. Данный материал наполнялся наночастицами сажи и алюминия, которые занимали малую часть поверхности 100 м^2/г, имеющие средний размер частиц 20-30 нм. Исходя из данного распределения мы можем показать зависимость удельного объемного сопротивления от концентрации этих частиц в полимере. Такого распределение показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Концентрационная  зависимость удельного сопротивления для композита 80% СКИ-3 + 20% ПЭНП + Al.

Из данного рисунка мы видим, что удельное объемное сопротивление уменьшается на некоторый определенный порядок, когда увеличивается содержание наночастиц алюминия; но при дальнейшем увеличении концентрации частиц устанавливается постоянный порядок, и он приводит к насыщению данной зависимости, то есть удельного объемного сопротивления.

Рисунок 2. Концентрационная зависимость удельного объемного электрического сопротивления для композита 80% СКИ-3 + 20% ПЭНП + сажа

Если мы начнем сравнивать экспериментальные данные зависимостей удельного объемного сопротивления алюминия (рис.1) и сажи (рис.2), то мы можем видеть, что графики у них сильно отличаются. В первую очередь, это связано с тем, что, если композит содержит наночастицы алюминия (0,1%; 0,27% и 0,73%), как показано выше на наших рисунках, то значения удельного объемного сопротивления падает на 1,5 порядка, а затем приводит к насыщению. Если мы имеем дело с сажей, то при таких же концентрациях, значение сопротивления возрастает на 2 порядка, но, если мы продолжим увеличивать концентрацию сажи, то данные значения при первоначальном добавлении их в композит, приближаются к значениям исходного, то есть первоначального композитного материала.

Следует отметить, когда рассматривается полимерный диэлектрик, который содержит электропроводящие примеси мы используем модель Максвелл-Вагнеровской поляризации, которая оперирует следующими соотношениями:

                                                                                                                     (8)

    ,                                                                                        (9)

где:

- действительная часть диэлектрической проницаемости композита и включения;

– удельная проводимость соответственно композита и включения;

 удельное электрическое сопротивление,

- диэлектрическая проницаемость при высоких частотах;

- время релаксации;

 - частота.

На основе кривых, полученных при распределении наночастиц сажи и алюминия, мы можем утверждать, что при дальнейшем увеличении их содержания, они примут средние и при этом постоянные значения, которые соответствуют настоящему композиционному материалу. Но такое поведение этих примесей является новым, в рамках Максвелл-Вагнеровской поляризации, поэтому ее применение для нас в этой работе будет ограниченным.

Данное изменение физических параметров исследуемого материала, который содержит малые добавки наших частиц называется- наноэффектом, наблюдающий при изучении механической прочности самого композита, с воздействием на него внешних сред.

Наноэффект, выявленный в ходе несостыковки Максвелл-Вагнеровской поляризации можно показать с помощью логарифмической зависимости удельного объемного сопротивления от не менее важной физической величины- диэлектрической проницаемости.

Рисунок 3. Логарифмическая зависимость диэлектрической проницаемости от удельного объемного сопротивления композита 80% СКИ-3 + 20% ПЭНП + Al при температуре 300 К

Рисунок 4. Логарифмическая зависимость диэлектрической проницаемости от удельного объемного электрического сопротивления для композита 80% СКИ-3 + 20% ПЭНП + сажа

Эти результаты, как было сказано выше, невозможно объяснить ни Максвелл- Вагнеровской поляризацией диэлектриков, с содержанием электропроводящих примесей (частиц), ни другими моделями, так как результаты существенно отличаются от установленных ранее учеными.

Для того чтобы объяснить полученные данные для удельной электропроводимости, в настоящее время проводятся исследования строения и морфологической структуры композита СКИ-380%, с нанодобавками сажи и алюминия методами электронного теневого микроскопа и элементного сканирования поверхности.

С помощью элементного сканирования поверхности можно сказать, что расположение наночастиц в композите связано, в большинстве случаев с занимаемыми выгодными энергетическими положениями, когда происходит смешивание разнообразных частиц в композиционном полимерном материале.

Если здесь будем иметь дело с электронным теневым микроскопом, то будем различать сажу и алюминий, по физическим и химическим свойствам, заниматься изучением этих частиц по отдельности, выявлять их минусы и плюсы в различных видах полимерных материалов. Такое выявление, отдельно для сажи, мы можем наблюдать на рисунке 5

Рисунок 5. Снимок, полученный электронным теневым микроскопом для композита 80 масс. % СКИ-3 + 20 масс. % ПЭНП + 0,1 масс. % сажа

Заключение. В настоящей экспериментальной работе, мы смогли исследовать зависимости удельного объемного сопротивления композиционного полимерного материала СКИ- 3+20% от содержания, в самых различных количествах, наночастиц алюминия и сажи. С учетом полученных исследовательских данных рассмотрели особенности кривых логарифмических зависимостей удельного объемного сопротивления от  комплексной физической величины-диэлектрической проницаемости, при этом, выявив некоторые новшества и особенности, опровергли известную Максвелл- Вагнеровскую теорию, которая является фундаментальной основой при изучении и наблюдении таких зависимостей физических величин.

Список литературы:

1. Э.С. Блайт, Д. Блур. Электрические свойства полимерных материалов. Физматлит., Москва, 2008г.;
2. Ю.С. Липатов, Теплофизические и реологические характеристики композиционных полимерных материалов: справочник, Наукова думка, Киев, 1977г.;
3. Г. М. Бартенев, А.Г. Бартенева, Релаксационные свойства полимеров. Химия, Москва, 1992г.;
4. Адамсон А. Физическая химия поверхности полимерных материалов. М.:Мир, 1979г.;
5. Смирнов Б. М. Физика фронтальных кластеров. М.: Наука, 1991 г., 136 стр.;
6. Зайкин А. Е., Жаринова Е.А., Бикмуллин Р.С. Особенности локализации технического углерода на границе раздела полимерных фаз// Высокомолекул. Соед. А. 2007 т. 49 №3 с.499-509.