Визначення впливу дисперсних частинок алюмінію на функціональні властивості полімерних композитів на основі полівініліденфториду

Автор(и)

  • Едуард Анатолійович Лисенков Чорноморський національний університет імені Петра Могили, Україна https://orcid.org/0000-0002-1369-4609
  • Леонід Павлович Клименко Чорноморський національний університет імені Петра Могили, Україна https://orcid.org/0000-0002-3458-9453

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.228731

Ключові слова:

полімерні композитні матеріали, дисперсні частинки алюмінію, теплопровідність, міцність на розрив, швидкість звуку

Анотація

Полімерні матеріали, які містять неорганічні наповнювачі, завдяки поєднанню еластичності матриці та міцності наповнювача демонструють унікальний комплекс фізичних властивостей. Робота присвячена визначенню впливу дисперсних частинок алюмінію на властивості матеріалів на основі полівініліденфториду. У результаті проведеної роботи було виготовлено серію композитних матеріалів за допомогою поршневого екструдера. Було  досліджено їх функціональні характеристики, використовуючи методи теплофізичного та механічного аналізу, дилатометрії та акустичної спектроскопії. Встановлено, що введення дисперсних частинок алюмінію приводить до розпушування матриці, що може свідчити про перехід макромакромолекул із кристалічної фази у граничний шар навколо наповнювача. Така особливість структуроутворення та рівномірний розподіл частинок наповнювача забезпечили покращення функціональних характеристик отриманих матеріалів. Показано, що зі збільшенням вмісту наповнювача у системі до 5 %  теплопровідність зростає з 0,17 Вт/(м·K) до 1,55 Вт/(м·K). Введення наповнювача приводить до поліпшення термостійкості отриманих матеріалів на 17 K. Зростання як температури плавлення, так і деструкції, пояснюється утворенням більш досконалої структури полімеру з вищим ступенем кристалічності. Виявлено зростання швидкості поширення ультразвуку на 67 % та міцності на розрив на 36 % в отриманих матеріалах, що можна пояснити внеском від наповнювача, який має більшу звукопровідність та механічну міцність, ніж полімерна матриця. У таких системах проявляється армувальний вплив частинок алюмінію на полімерну матрицю, тому вони можуть використовуватись як конструкційні матеріали із поліпшеними функціональними характеристиками

Біографії авторів

Едуард Анатолійович Лисенков, Чорноморський національний університет імені Петра Могили

Доктор фізико-математичних наук, доцент

Кафедра інтелектуальних інформаційних систем

Леонід Павлович Клименко, Чорноморський національний університет імені Петра Могили

Доктор технічних наук, професор, ректор

Кафедра екології

Посилання

  1. Hsissou, R., Seghiri, R., Benzekri, Z., Hilali, M., Rafik, M., Elharfi, A. (2021). Polymer composite materials: A comprehensive review. Composite Structures, 262, 113640. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113640
  2. Antipov, Y. V., Kul’kov, A. A., Pimenov, N. V. (2016). Polymer composite materials: Technologies and applications. Polymer Science Series C, 58 (1), 26–37. doi: https://doi.org/10.1134/s181123821601001x
  3. Dorigato, A., Dzenis, Y., Pegoretti, A. (2011). Nanofiller Aggregation as Reinforcing Mechanism in Nanocomposites. Procedia Engineering, 10, 894–899. doi: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.04.147
  4. Camargo, P. H. C., Satyanarayana, K. G., Wypych, F. (2009). Nanocomposites: synthesis, structure, properties and new application opportunities. Materials Research, 12 (1), 1–39. doi: https://doi.org/10.1590/s1516-14392009000100002
  5. Qu, M., Nilsson, F., Schubert, D. (2018). Effect of Filler Orientation on the Electrical Conductivity of Carbon Fiber/PMMA Composites. Fibers, 6 (1), 3. doi: https://doi.org/10.3390/fib6010003
  6. Vinod Kumar, T., Chandrasekaran, M., Mohanraj, P., Balasubramanian, R., Muraliraja, R., Shaisundaram, S. V. (2018). Fillers preparation for polymer composite and its properties – a review. International Journal of Engineering & Technology, 7 (3.3), 212. doi: https://doi.org/10.14419/ijet.v7i2.33.13889
  7. Ngo, I. L., Truong, V. A. (2019). An investigation on effective thermal conductivity of hybrid-filler polymer composites under effects of random particle distribution, particle size and thermal contact resistance. International Journal of Heat and Mass Transfer, 144, 118605. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118605
  8. Oliveira, M., Machado, A. V. (2013). Preparation of Polymer-Based Nanocomposites by Different Routes. Nanocomposites: Synthesis, Characterization and Applications. Available at: http://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/26120/1/Chapter.pdf
  9. Mamunia, Ye. P., Yurzhenko, M. V., Lebediev, Ye. V. et. al. (2013). Elektroaktyvni polimerni materialy. Kyiv: Alfa Reklama, 402.
  10. Liu, C.-X., Choi, J.-W. (2012). Improved Dispersion of Carbon Nanotubes in Polymers at High Concentrations. Nanomaterials, 2 (4), 329–347. doi: https://doi.org/10.3390/nano2040329
  11. Lysenkov, E. A., Gagolkina, Z. O., Lobko, E. V., Yakovlev, Yu. V., Nesin, S. D., Klepko, V. V. (2015). Structure-property relationships in polymer nanocomposites based on cross-linked polyurethanes and carbon nanotubes. Functional Materials, 22 (3), 342–349. doi: https://doi.org/10.15407/fm22.03.342
  12. Mittal, V. (Ed.) (2014). Synthesis Techniques for Polymer Nanocomposites. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi: https://doi.org/10.1002/9783527670307
  13. Tan, X., Xu, Y., Cai, N., Jia, G. (2009). Polypropylene/silica nanocomposites prepared by in-situ melt ultrasonication. Polymer Composites, 30 (6), 835–840. doi: https://doi.org/10.1002/pc.20598
  14. Lee, E. C., Mielewski, D. F., Baird, R. J. (2004). Exfoliation and dispersion enhancement in polypropylene nanocomposites by in-situ melt phase ultrasonication. Polymer Engineering and Science, 44 (9), 1773–1782. doi: https://doi.org/10.1002/pen.20179
  15. Mould, S., Barbas, J., Machado, A. V., Nóbrega, J. M., Covas, J. A. (2014). Preparation of Polymer-Clay Nanocomposites by Melt Mixing in a Twin Screw Extruder: Using On-Line SAOS Rheometry to Assess the Level of Dispersion. International Polymer Processing, 29 (1), 63–70. doi: https://doi.org/10.3139/217.2803
  16. Brunengo, E., Castellano, M., Conzatti, L., Canu, G., Buscaglia, V., Stagnaro, P. (2020). PVDF‐based composites containing PZT particles: How processing affects the final properties. Journal of Applied Polymer Science, 137 (20), 48871. doi: https://doi.org/10.1002/app.48871
  17. Wu, D., Deng, L., Sun, Y., Teh, K. S., Shi, C., Tan, Q. et. al. (2017). A high-safety PVDF/Al2O3 composite separator for Li-ion batteries via tip-induced electrospinning and dip-coating. RSC Advances, 7 (39), 24410–24416. doi: https://doi.org/10.1039/c7ra02681a
  18. Zhou, W., Zuo, J., Ren, W. (2012). Thermal conductivity and dielectric properties of Al/PVDF composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 43 (4), 658–664. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.11.024
  19. Dinzhos, R. V., Fialko, N. M., Lysenkov, E. A. (2014). Analysis of the Thermal Conductivity of Polymer Nanocomposites Filled with Carbon Nanotubes and Carbon Black. Journal of Nano- and Electronic Physics, 6 (1), 01015. Available at: https://jnep.sumdu.edu.ua/download/numbers/2014/1/articles/jnep_2014_V6_01015.pdf
  20. Klepko, V. V., Kolupaev, B. B., Lysenkov, E. A., Voloshyn, M. O. (2011). Viscoelastic properties of filled polyethylene glycol in the megahertz frequency band. Materials Science, 47 (1), 14–20. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-011-9362-0
  21. Garkusha, O. M., Makhno, S. M., Prikhod’ko, G. P., Sementsov, Yu. I., Kartel, M. T. (2010). Structural Features and Properties of Polymeric Nanocomposites with Low Concentrations of Fillers. Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni, 1 (1), 103–110. Available at: http://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/12/9
  22. Lysenkov, É. A., Klepko, V. V. (2015). Characteristic Features of the Thermophysical Properties of a System Based on Polyethylene Oxide and Carbon Nanotubes. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 88 (4), 1008–1014. doi: https://doi.org/10.1007/s10891-015-1278-3
  23. Misiura, A. I., Mamunya, Y. P. (2018). Electrical Conduction and Thermal Conduction of Metal–Polymer Composites. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 40 (3), 311–326. doi: https://doi.org/10.15407/mfint.40.03.0311
  24. Dinzhos, R. V., Lysenkov, E. A., Fialko, N. M. (2015). Features of thermal conductivity of composites based on thermoplastic polymers and aluminum particles. Journal of Nano- and Electronic Physics, 7 (3), 03022. Available at: https://jnep.sumdu.edu.ua/download/numbers/2015/3/articles/en/jnep_eng_2015_V7_No3_03022_Dinzhos.pdf
  25. Fuchs, S., Schütz, F., Förster, H.-J., Förster, A. (2013). Evaluation of common mixing models for calculating bulk thermal conductivity of sedimentary rocks: Correction charts and new conversion equations. Geothermics, 47, 40–52. doi: https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2013.02.002
  26. Lysenkov, Е. А., Lysenkova, I. P. (2020). Influence of nanodiamonds on the structure and thermophysical properties of polyethylene glycol-based systems. Functional Materials, 27 (4), 774–780. doi: https://doi.org/10.15407/fm27.04.774
  27. Lysenkov, Е. А., Klepko, V. V., Lysenkova, I. P. (2020). Features of Structural Organization of Nanodiamonds in the Polyethylene Glycol Matrix. Journal of Nano- and Electronic Physics, 12 (4), 04006-1–04006-6. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.12(4).04006
  28. Structure and characteristics of solid polymers (2009). Polymer Science Series A, 51 (1), 26–48. doi: https://doi.org/10.1134/s0965545x09010040
  29. Hida, S., Hori, T., Shiga, T., Elliott, J., Shiomi, J. (2013). Thermal resistance and phonon scattering at the interface between carbon nanotube and amorphous polyethylene. International Journal of Heat and Mass Transfer, 67, 1024–1029. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.08.068
  30. Mamunya, Ye. P., Levchenko, V. V., Parashchenko, I. M., Lebedev, E. V. (2016). Thermal and electrical conductivity of the polymer-metal composites with 1D structure of filler formed in a magnetic field. Polymer journal, 38 (1), 3–17. doi: https://doi.org/10.15407/polymerj.38.01.003
  31. Tian, W., Yang, R. (2008). Phonon Transport and Thermal Conductivity Percolation in Random Nanoparticle Composites. CMES, 24 (2), 123–141. doi: https://doi.org/10.3970/cmes.2008.024.123
  32. Deshpande, R., Naik, G., Chopra, S., Deshmukh, K. A., Deshmukh, A. D., Peshwe, D. R. (2018). A study on mechanical properties of PBT nano-composites reinforced with microwave functionalized MWCNTs. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 346, 012004. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/346/1/012004
  33. Aeyzarq Muhammad Hadzreel, M. R., Siti Rabiatull Aisha, I. (2013). Effect of Reinforcement Alignment on the Properties of Polymer Matrix Composite. Journal of Mechanical Engineering and Sciences, 4, 548–554. doi: https://doi.org/10.15282/jmes.4.2013.18.0051
  34. Kumari, S., Panigrahi, A., Singh, S. K., Pradhan, S. K. (2017). Enhanced corrosion resistance and mechanical properties of nanostructured graphene-polymer composite coating on copper by electrophoretic deposition. Journal of Coatings Technology and Research, 15 (3), 583–592. doi: https://doi.org/10.1007/s11998-017-0001-z
  35. Wang, Q., Han, X. H., Sommers, A., Park, Y., T’ Joen, C., Jacobi, A. (2012). A review on application of carbonaceous materials and carbon matrix composites for heat exchangers and heat sinks. International Journal of Refrigeration, 35 (1), 7–26. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2011.09.001

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-06-30

Як цитувати

Лисенков, Е. А., & Клименко, Л. П. (2021). Визначення впливу дисперсних частинок алюмінію на функціональні властивості полімерних композитів на основі полівініліденфториду. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(12 (111), 59–66. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.228731

Номер

Том 3 № 12 (111) (2021): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Эдуард Анатольевич Лысенков, Леонид Павлович Клименко

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.