ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ СОДЕРЖАНИЯ НАНОЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ

Введение. На сегодняшний день полимерные системы занимают особое место среди различных отраслей деятельности человека. Все это исходит из свойств, а также возможности получения на их основе изделий широкого спектра назначения. Полимеры имеют очень обширную классификацию физико-механических, физико-химических свойств, которые обеспечиваются, главным образом, самой физической природой, а также количественными данными механизмов структурирования и получения полимерных материалов на основе данных свойств. Особое внимание при изучении полимеров необходимо оказывать молекулярной структуре, на основе которой, данные системы различаются на несколько видов. Следует отметить, что наряду с физико-механическими и физико-химическими свойствами, особое место занимают также электрические свойства полимерных материалов. 

Исследование диэлектрических свойств полимерных материалов позволяют получить обширную информацию о молекулярной структуре, межмолекулярных взаимодействиях и механизмах молекулярных процессов в них. Важную роль в данном классе свойств занимает такая физическая величина как диэлектрическая проницаемость. Сам интерес к исследованию диэлектрической проницаемости полимерных материалов обусловлен, главным образом, не только важностью этих характеристик на практике, но и для получения более важных сведений о строении и структуре самих полимерных материалов. Этот интерес и присущ нашей экспериментальной работе.

Целью данной работы является исследование зависимости диэлектрической проницаемости полимерных материалов от количества веществ алюминия, содержащих в данном материале.

Экспериментальная часть. В качестве исследуемых образцов использовались исходные композиты полимеров, в частности инертный алюминий. Данные исследования были направлены на получение и вывода композитных полимерных материалов, на основе полиэтилена с низкой плотностью, в котором содержались мелкие частицы инертного алюминия в больших и в малых количествах. Сами частицы данного материала имели небольшой размер, в частности, он был в пределах 20-30 нм, что давало незначительные погрешности при их сравнении. Данное распределение по размерам представлено на рис.1.

Из рисунка 1 видно, что наночастицы алюминия довольно мелкие и большая часть их составляет 20-30 нм (рис.1).

Рисунок 1. Распределение наночастиц алюминия по размерам

Следует сказать, что данная величина, которая изучается нами в этой работе, в ходе проведения данного эксперимента, в нашем случае-это диэлектрическая проницаемость, является комплексной физической величиной. В чем состоит ее комплексность? Здесь имеется ввиду величина, состоящая из действительной и мнимой частей, для более эффективного нахождения зависимости данной величины от концентрации наночастиц.. Суть действительной части диэлектрической проницаемости в отношении емкостей, то есть мы относим емкость пустой ячейки к емкости образца из композита

                                                                            (1)

– емкость пустой ячейки (воздушное заполнение);  – емкость образца из композита.

Мнимая часть физической величины вычисляется из следующего произведения

                                                                 (3)

где  – добротность конденсатора.

На основе проведенного эксперимента можно получить результаты о зависимости диэлектрической проницаемости полимерного материала от некоторого композита. Во-первых, когда происходило увеличение содержания инертного алюминия 1%, то есть его частиц, сама диэлектрическая проницаемость полимерного материала резко упала на 2 единицы; потом при дальнейшем увеличении алюминия до 5,5% от композитного материала результат диэлектрической проницаемости увеличился и достиг определенного значения, которое колебалось в диапазоне 4-4,5. При дальнейшем увеличении концентрации содержания наночастиц алюминия, диэлектрическая проницаемость примет те же значения, которые соответствуют чистому полимерному материалу, без смесей и композитов, это обусловлено тем, что наночастицы алюминия уже начали адаптироваться в данном виде полимерного материала. В течении данного исследования кривые первоначального и конечного изучения зависимости диэлектрической проницаемости, значительно отличается на графике зависимости. Эти  исследовательские результаты у нас представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Концентрационные зависимости действительной части диэлектрической проницаемости: 1 - 80% СКИ-3 + 20% ПЭНП + сажа; 2 – 80% СКИ-3 + 20% ПЭНП + Al; 3 – расчетная кривая, по методу контактных групп для композита 80% СКИ-3 + 20% ПЭНП + Al

Исходя из вышеизложенного, полученная концентрационная зависимость, εˊ(C) и функция представленная на рисунке 3,  для исследуемого композита не представляется возможным объяснить в рамках модели обычной поляризации, которая наблюдается в любом диэлектрике.

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

Для того, чтобы объяснить полученные экспериментальные данные нам необходимо исследовать структуру и строение самого композитного материала. В результате данного исследования воспользуемся методами электронной микроскопии, электронного теневого микроскопа и гидростатического взвешивания. Эти данные представлены на рис.3 соответственно.

Рисунок 4. Распределение алюминия, содержащего: а) 1 %; б) 5,4 %

На данном рисунке показано равномерное распределение алюминия в композитном полимерном материале. Мы можем заметить, что с повышением содержания инертного алюминия, сами частицы начинают группироваться в отдельные ряды, образуя надмолекулярные образования. На этой основе, следует понимать, что композиционный полимерный материал имеет свои определенные значения, в зависимости от количества содержания той или иной примеси, которая присутствует в нем.

Значения этого композита с примесью вычислены и представлены в следующей таблице.

Таблица.

Заключение. В данной исследовательской работе была экспериментально исследована зависимость комплексной физичекой величины, состоящая из действительной и мнимой частей,композиционного полимерного материала от количества содержания примеси в нем, в данном случае-это инертный алюминий. При этом мы показали, какие наблюдаются изменения, при небольшом содержании примеси в полимерном материале-1%, а также привели несколько видов современных методов исследований диэлектрической проницаемости и других физических величин.

И, наконец, составили таблицу значений, на основе результатов, которые были получены в ходе экспериментальной части нашей исследовательской работы.

Список литературы:

1. Сушко М.Я., Крискив С.К.// ЖЭТВ, 2009. Т. 79. Вып.3. с 97-101.
2. Соцков В.А. Экспериментальное исследование проводящих фронтальных фаз на диэлектрическую проницаемость композитов // ЖЭТВ.2013. Т 83 вып.10 с.85-89.
3. Блайт Э.Р., Блур Д. Электрические свойства полимеров/ Пер с англ. М: Физматлит, 2008, 376с.
4.  Зайкин А.Е., Жаринова Е.А., Бикмуллин Р.С., Особенности локализации технического углерода на границе раздела полимерных фаз// Высокомолек. соед. А. 2007 т. 49 № 3 с. 499-509.
5.  Адамсон А. Физическая химия поверхности. М.: Мир 1979.
6. Функциональные наполнители для пластмасс. / Под ред. М. Ксантоса. Пер. с англ. Кулезнева В.Н. – СПб: Научные основы и технологии, 2010 – 462 с.
7. Смирнов Б.М. Физика фронтальных кластеров. М:Наука, 1991. 136с.