Исследование влияния содержания натрий-карбоксиметилцеллюлозы, глицерина и порошка Fe на электрофизические свойства композиционных покрытий. Характеристика и особенности взаимосвязи между микроструктурой покрытий с порошком Fe и электрическими свойствами.
При низкой оригинальности работы "Влияние порошка Fe на электрические свойства функциональных покрытий на основе полимера Na-КМЦ", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Наполнение полимеров металлическими порошками различной природы и дисперсности позволяет влиять на электрофизические свойства композитов - электрические прочность и сопротивление [1, 2]. Цель работы - выявить влияние компонентов покрытий на основе полимерной матрицы Na-КМЦ, пластифицированной глицерином, порошком железа марки ПЖР-2 на электрическое сопротивление и электрическую прочность функциональных покрытий. электрический натрий глицерин композиционный Количество опытов N=18, количество исследуемых факторов к=3, центр области исследования, шаг и уровни исследования в натуральном масштабе приведены в таблице 1. Функцией отклика в эксперименте служили удельное объемное электрическое сопротивление (RV, Ом?м ) и электрическая прочность (Е) покрытий. Электрическая прочность (пробой) оценивалась при температуре (20 2) °С на высоковольтной установке УВИ-2 отношением пробивного напряжения однородного электрического поля к толщине образца покрытия.Показана возможность получения функциональных композиционных материалов на основе Na-КМЦ с порошком Fe.
Введение
Композиционные материалы привлекают внимание исследователей, обеспечивая сочетания более высокого комплекса свойств, недостижимого для исходных металлических или неметаллических материалов по отдельности. Наполнение полимеров металлическими порошками различной природы и дисперсности позволяет влиять на электрофизические свойства композитов - электрические прочность и сопротивление [1, 2]. Такие композиты могут применяться в резисторах, токопроводящих лаках и клеях, а также в качестве электромагнитных защитных покрытий. Использование в качестве матриц для наполнителей полимеров растительного происхождения, изготавливаемых из возобновляемого природного сырья, позволяет сочетать оптимальную стоимость материала с его экологической чистотой. В настоящей работе полимерной матрицей служит простой эфир целлюлозы натрий - карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ). Биополимер Na-КМЦ широко применяется в промышленности, и в настоящее время вызывает интерес исследователей, как основа для создания мембран, упаковочных пленок [3-6], как загуститель, пленкообразователь, диспергатор для металлических порошков [7]. Однако, несмотря на широкое применение в промышленности, возможность формирования на его основе покрытий с регулируемыми физическими свойствами практически не изучена. В свое время авторами статьи была показана возможность создания защитных покрытий на основе инертного к агрессивным неводным средам полимера Na-КМЦ с порошками алюминия и циркония с заданными механическими свойствами [8-9]. Настоящая работа является продолжением исследований и посвящена разработке покрытий с заданными электрическими свойствами для применения в различных областях промышленности.
Цель работы - выявить влияние компонентов покрытий на основе полимерной матрицы Na-КМЦ, пластифицированной глицерином, порошком железа марки ПЖР-2 на электрическое сопротивление и электрическую прочность функциональных покрытий. электрический натрий глицерин композиционный
Материалы и методика исследований
Объектами исследований служили покрытия толщиной 80-100 мкм. Их получали смешиванием водного раствора Na-КМЦ с глицерином и частицами металлического порошка Fe. Нанесенный на фторопластовую подложку состав высушивали при температуре (55 1)° С.
Эксперимент проводили, используя ортогональный план второго порядка со звездным плечом a= 1, 414 [3]. Количество опытов N=18, количество исследуемых факторов к=3, центр области исследования, шаг и уровни исследования в натуральном масштабе приведены в таблице 1. Диапазон изменения факторов варьирования, температура формирования покрытий были выбраны на основании данных, полученных в ходе предварительных исследований.
В качестве переменных факторов варьирования были выбраны: 1.Концентрация Na-КМЦ с пределами варьирования 1, 5-3% (Z1).
2.Содержание металлического порошка от 0 до 5 г на каждые 100 г раствора (Z2).
3.Содержание пластификатора глицерина от 0 до 5 г на каждые 100 г раствора (Z3).
Функцией отклика в эксперименте служили удельное объемное электрическое сопротивление (RV, Ом?м ) и электрическая прочность (Е) покрытий. Испытания осуществляли по методике [10]. Объемное сопротивление измерялось при температуре (20 2)° С и постоянном напряжении на тераомметре Е 6-13. Электрическая прочность (пробой) оценивалась при температуре (20 2) °С на высоковольтной установке УВИ-2 отношением пробивного напряжения однородного электрического поля к толщине образца покрытия.
Таблица 1. Области и уровни исследования независимых переменных
Морфологические особенности полученных в эксперименте композиционных покрытий исследовали с помощью электронно-сканирующиего микроскопа Quanta 200 на оборудовании ЦКП «Нанотехнологии» ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова.
Результаты и обсуждение
В результате статистической обработки экспериментальных значений электрического сопротивления и электрической прочности покрытий с железом, получены уравнения регрессии, адекватно описывающие влияние исследуемых факторов в безразмерном масштабе на величину RV, Е.
В качестве моделей после отсева незначимых коэффициентов были приняты уравнения, имеющие в безразмерном масштабе для образцов с добавками железа в безразмерном масштабе вид: Yr =2, 28 - 1, 37 Х2 Х3 (1)
(Sy2=0, 08; Fp=2, 20), где Х2, Х3 -кодированные значения факторов: металла (Fe) и глицерина; Sy2-дисперсия воспроизводимости при уровне значимости 0, 05; F-критерий Фишера. Переменная Х1 (Na-КМЦ) значимых коэффициентов не имеет.
По уравнениям регрессии в окрестности оптимального режима был проведен анализ параметрической чувствительности процесса. Уравнения регрессии позволяют по величине и знаку коэффициента, стоящего перед соответствующей независимой переменной, оценить интенсивность и влияние каждой переменной на величины удельного сопротивления и пробоя образцов. На графиках (рис. 1-2) показано изменение величины удельного сопротивления в центре плана и на границах диапазонов исследуемых факторов. При фиксации содержания глицерина в центре и на границах диапазонов исследования, удельное сопротивление образцов снижается с увеличением содержания железа. Для фиксированного содержания Fe, равного 5 г, 2, 5 г. и 0 г., возрастает по мере по мере увеличения в составе количества глицерина. Для кривых (1) на рис. 1-2 сочетания факторов, при которых на границах плана величина сопротивления принимает отрицательное значение, как не имеющие физического смысла, не рассматривались.
Рис. 1 - Влияние содержания Fe на величину удельного сопротивления при количестве глицерина: 0 г - (1); 2, 5 г - (2), 5 г - (3)Рис. 2 - Влияние содержания глицерина на величину удельного сопротивления при количестве Fe: 5 г - (1); 2, 5 г - (2), 0 г - (3)
Поверхность отклика в безразмерных переменных показана на рис. 3. Анализ графиков (рис. 1-2) и поверхности отклика (рис. 3) зависимости величины удельного сопротивления покрытий от содержания компонентов показал, что максимальное значение r=5, 6?1012 Ом?м реализуется при содержании глицерина 5 г и отсутствии железного порошка.
Рис. 3 - Влияние на удельное сопротивление покрытий содержания Fe и глицерина (в безразмерном масштабе)
Величина электрической прочности (рис. 4) практически не зависит от содержания Na-КМЦ и глицерина, уменьшаясь от 1, 9 до 0, 9 МВ/м по мере роста содержания порошка Fe от 0 до 5 г.
Следует отметить, что при отсутствии пластификатора, или избытке наполнителя, пластичность образцов уменьшается, а хрупкость возрастает, что приводит к ухудшению механической прочности покрытия. Поэтому с практической точки зрения интерес представляет область вблизи центра исследования, позволяющая реализовать значения удельного сопротивления от 3, 0?1012 Ом?м до 1, 0?1012 Ом?м и прочности от 1, 7 до 1, 0 МВ/м в совокупности.
Рис. 4 - Влияние содержания Fe на величину электрической прочности покрытий
Результаты электронно-микроскопического анализа показали, что матрица на основе Na-КМЦ характеризуется слоистой структурой с преимущественной ориентацией в одном направлении. Пластификатор снижает напряжения в покрытии, а частицы металла плотно внедрены в матрицу, обеспечивая ее однородность. Микрофотографии поверхности покрытия с частицами Fe и фрагмент изображения частицы приведены на рис. 5. В электрическом отношении покрытие представляет собой систему металлических проводящих областей, разделенных диэлектрическими зонами. С ростом содержания металла в композиционном материале объем проводящих металлических зон возрастает, и величина пробоя уменьшается.
а) б)
Рис. 5 Поверхность покрытия с Fe (а) и фрагмент микрочастицы Fe (б)
Вывод
Показана возможность получения функциональных композиционных материалов на основе Na-КМЦ с порошком Fe. Предложены регрессионные модели, устанавливающие связь электрических характеристик - удельного сопротивления и электрической прочности покрытий с составом.
Список литературы
1. Ерошенко В.Д., Хайдаров Б.Б. Применение поливинилацетата в качестве пластификатора графита при производстве изделий электротехнического назначения // Инженерный вестник Дона, 2014, №2 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2340.
2. Смирнова Н.В., Леонтьева Д.В., Куриганова А.Б., Кубанова М.С., Крутчинский С.Г. Разработка элементов «умной одежды» на основе электрохимической системы накопления заряда для питания устройств микросистемной техники // Инженерный вестник Дона, 2013, №3 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1865.
3. Miao, J., Zhang, R., Bai, R. Poly (vinyl alcohol)/carboxymethyl cellulose sodium blend composite nanofiltration membranes developed via interfacial polymerization //Journal of Membrane Science. 2015. pp. 654-663.
4. Oun, A.A. , Rhim, J.-W. Preparation and characterization of sodium carboxymethyl cellulose/cotton linter cellulose nanofibril composite films // Carbohydrate Polymers. 2015. pp. 101-109.
5. Wang, H., Yin, G., Feng, G., Dou, Y., He, M., Deng, X. Preparation and properties of feather keratin and sodium carboxy methyl cellulose blend films // Gaofenzi Cailiao Kexue Yu Gongcheng. Polymeric Materials Science and Engineering. 2014. pp. 139-143.
6. Xiaoyan Lin, Ying Li, Zhe Chen, Chi Zhang, Xuegang Luo, Xinchen Du, Yuanhao Huang. Synthesis, characterization and electrospinning of new thermoplastic carboxymethyl cellulose (TCMC). // Chemical Engineering Jornal 215-216 (2013) pp. 709-720.
7. Antonova N.M., Babichev A. P., Dorofeev V.Yu. Regularities of Formation of the Structure of Al-containing Nanocomposites upon Interaction of ASD-6 Powder with Polymer Suspension.// Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2013. Vol. 49, № 7. p. 868-872.
8. Antonova N.M. The Mechanical Properties of a Composite Coating with a Polimer Matriks Based on Sodium Carboxymethylcellulose and Aluminum Powder // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009. Vol. 50, № 4. p. 419-423.
9. Антонова Н.М.. Адгезионная прочность композиционных покрытий с порошком алюминия, дисперсно-упрочненных частицами Zr // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. № 2. С. 52-58.
10. Тушинский Л. И., Плохов А.В., Токарев А.О., Синдеев В.И. Методы исследований материалов: Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. - М.: Мир, 2004.- 384 с.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
