Вплив мінерального наповнювача на теплопровідність полімерних композитів

Анотація

Дослідження присвячено розробці полімерних композитів на основі водної дисперсії Latex 2012 з мінеральними наповнювачами вулканічного (андезит) та техногенного (зола Бурштинської ТЕС і зола Курахівської ТЕС) походження, спрямованих на досягнення оптимальних теплоізоляційних властивостей. Основна проблема, що розглядалася, полягала у визначенні впливу типу, концентрації та поєднання наповнювачів на теплопровідність композитів. Висока теплопровідність полімерних матеріалів значно обмежує їхнє застосування у теплоізоляційних системах, тому дослідження механізмів міжфазної взаємодії наповнювачів з матрицею є ключовим для створення ефективних композицій.

У роботі визначено розміри кристалітів наповнювачів методом Шеррера: для андезиту – 110 нм, золи Б – 100,4 нм, золи К – 113 нм. Ці дані свідчать про здатність наповнювачів впливати на розсіювання фононів у матеріалі, що знижує загальну теплопровідність. Теплопровідність наповнювачів становить: зола Б – 0,2072 Вт/м·К, зола К – 0,2241 Вт/м·К, андезит – 0,2118 Вт/м·К. Найкращі результати продемонструвала зола Б завдяки своїй низькій теплопровідності та високій поверхневій енергії, що сприяє кращій взаємодії з полімерною матрицею.

Аналіз залежностей теплопровідності композитів від температури та концентрації наповнювачів показав, що підвищення концентрації наповнювачів збільшує теплопровідність через утворення теплових містків між частинками. Однак комбінація різних наповнювачів у оптимальних співвідношеннях дозволяє знизити цей ефект. На основі моделі Нільсена проведено оптимізацію складу композитів для досягнення мінімальної теплопровідності. Найкращі результати отримано для бінарної системи наповнювачів із золи Б та андезиту у співвідношенні 53:35 мас. %, що забезпечило найнижчу ефективну теплопровідність композиту – 0,173 Вт/м·К. Інші успішні поєднання включають золу Б із золою К (60:40 мас. %) та андезит із золою К (45:55 мас. %), які також демонструють значні покращення теплоізоляційних властивостей.

Запропоновані композиції можуть знайти застосування в галузі енергоефективного будівництва, у системах терморегуляції, теплоізоляційних матеріалах для промислового обладнання та інших сферах, де потрібна низька теплопровідність. Результати дослідження також є корисними для розробки матеріалів, що функціонують в умовах значного температурного коливання (від –125 °C до +100 °C), забезпечуючи стабільні теплоізоляційні властивості.