Физические свойства Zn и Al-НАПОЛНЕННЫХ композиционных

УДК 53 (539.8)
Антонова Н.М.
Канд.техн.наук, доцент кафедры естественно - научных дисциплин Каменского института
(филиала) Южно-Российского государственного технического университета
(Новочеркасского политехнического института) (ЮРГТУ-НПИ), г. Каменск-Шахтинский
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Zn И Al-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ МАТРИЦЫ
Введение
Исследование функциональных свойств защитных композиционных покрытий
представляет большой научный и практический интерес. Использование различных видов
наполнителей позволяет получать новые материалы с возможностью селективного выбора
свойств, необходимых для нужд конкретной области применения. Композиты, содержащие
дисперсные металлические частицы и наночастицы в диэлектрической матрице обладают
рядом физических свойств, отличающих их от обычных материалов [1, 90]. Анализ
литературных и патентных данных показывает, что применение наполненных полимерных
комплексов на основе целлюлозной матрицы натрий – карбоксиметилцеллюлозы (Na –
КМЦ), является сравнительно новым направлением формирования устойчивых к
агрессивным средам полимерных композиционных материалов [2, 102; 3, 76]. В настоящий
момент физические свойства наполненных металлическими порошками композитов на
основе Na – КМЦ изучены недостаточно, что делает актуальным проведение исследования
свойств и структурных особенностей таких материалов.
Цель работы - изучить влияние исходных компонентов композиционных покрытий
(КП) с полимерной матрицей натрий - карбоксиметилцеллюлозой (Na-КМЦ), наполненной
дисперсными порошками цинка ПЦ-1, алюминия АСД-1 на электрическую прочность (Епр)
этих материалов.
Материалы и методика исследований
Объектами исследований служили КП толщиной 50 мкм. Их получали смешиванием
гелеобразного водного раствора Na-КМЦ с пластификатором (глицерином) и частицами
металлического порошка. Для получения образцов толщиной не более d0 50 мкм порошок
цинка был просеян на ситах с размером ячейки 50 мкм, с целью отсева частиц, имеющих
больший диаметр. Рассев порошка производили на электростатическом анализаторе ЭЛСА –
2. Нанесенный на фторопластовую подложку состав высушивали при соответствующей
температуре [4, 1; 5, 1].
Подготовку пленочных образцов КП и определение электрических характеристик
осуществляли по методике [6, 213]. Электрическая прочность (пробой) оценивалась при
температуре 20+2 0С на высоковольтной установке УВИ-2 отношением пробивного
напряжения однородного электрического поля к толщине образца покрытия.
Статистический анализ результатов осуществляли с помощью регрессионного метода.
Эксперимент проводили по ортогональному плану второго порядка [7, 184], факторами
варьирования были: концентрация водного раствора Na-КМЦ (CNa-КМЦ= 1,5÷3 ,0 %);
содержание соответствующего металлического порошка – Zn или Al (Cмет= 0÷5,0 г) и
пластификатора – глицерина (Сгл=0÷5 ,0 г). Диапазон их изменения выбран на основании
данных, полученных в ходе предварительных исследований. Функцией отклика в
эксперименте служила величина электрической прочности УЕ.
Морфологические особенности структуры КП изучали с помощью электронносканирующего микроскопа Quanta 200 в спектре вторичных и рассеянных электронов.
Результаты и их обсуждение
В результате статистической обработки экспериментальных значений электрической
прочности получены уравнения регрессии (1)-(2) адекватно описывающие влияние
исследуемых факторов в безразмерном масштабе на величину электрического пробоя
композиционных материалов с Zn и Al:
Y( Zn ) = 0,48 − 0,06 ⋅ X1 − 0,07 ⋅ X 2 + 0,05 ⋅ X 3 +
+ 0,05 ⋅ X1 ⋅ X 2 − 0,04 ⋅ X 2 ⋅ X3
(1)
2
(Sy =0,01; F р =3,23);
Y( Al) = 1,81 − 0,36 ⋅ X 2 − 0,25 ⋅ X 3 − 0,23 ⋅ X1 ⋅ X 3
2
(2)
(Sy =0,07; F р =4,57)
где Х1, Х2, Х3 –кодированные значения факторов: Na-КМЦ, металла (Zn или Al) и
глицерина; Sy2-дисперсия воспроизводимости при уровне значимости 0,05; F-критерий
Фишера.
По уравнениям регрессии в окрестности оптимального режима был проведен анализ
параметрической чувствительности процесса. Для композиционных материалов с Zn и Al
увеличение концентрации Na-КМЦ и содержания металла приводит к уменьшению
электрической прочности от 2,50 МВ/м до 0,50 МВ/м и от 2,40 МВ/м до 0,38 МВ/м
соответственно (центр исследуемого диапазона). Повышение содержания глицерина в
композитах практически не влияет на электрическую прочность КП с Zn (0,41÷0,55 МВ/м), и
уменьшает ее для КП с Al (2,16÷1,46 МВ/м).
В пределах исследуемых диапазонов при различных сочетаниях факторов наиболее
высокую электрическую прочность обеспечивает КП с Al (3,19÷0,20 МВ/м), и низкую – с Zn
(0,92÷0,24 МВ/м). Таким образом, используя порошки Al, Zn можно задавать различные
уровни электрической прочности для исходной матрицы Na-КМЦ с глицерином.
Для анализа процессов совместного структурообразования сочетаний металлических
порошков Zn и Al с Na-КМЦ и глицерином и влияния этих процессов на величину
электрической прочности КП был проведен электронно-микроскопический анализ образцов
покрытий в растровом электронном микроскопе методами склерометрии.
Результаты электронно-микроскопического анализа показали, что матрица на основе
Na-КМЦ характеризуется слоистой структурой с преимущественной ориентацией в одном
направлении [8, 43]. Добавленный глицерин образует поперечные ступеньки, а частицы
металла плотно внедрены в матрицу, обеспечивая ее однородность. Микрофотографии
фрагментов поверхностей КП с частицами Al, Zn приведены на рис.1.
а)
б)
Рис. 1. Фрагмент покрытия c частицами: а) – Al; б) - Zn
Оксидная пленка на частицах Al (рис.1, а) тонка, дефектов практически не имеет.
Пленки на частицах Zn (рис.1, б) отличаются большей толщиной, рыхлостью и локальными
дефектами, которые служат зонами зарождения трещин и расслоений в КП и обуславливают
более низкие механические характеристики этих материалов по сравнению с Al наполненными. Электрическая прочность зависит от пористости покрытий, дефектности
структуры, снижение этих факторов способствует росту пробивного напряжения [6, 212].
Поэтому более высокие значения пробоя имеет композиционное покрытие, обладающее и
более высокими механическими характеристиками – с порошком Al. Пластификатор, снижая
внутренние напряжения в материале, способствует снижению трещинообразования и
увеличивает электрическую прочность. В электрическом отношении КП 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. Полимер Na-КМЦ имеет достаточно
высокие значения электрической прочности, однако, при увеличении его концентрации
хрупкость композиционного материала возрастает, что наряду со свойственной ему слоистой
структурой, способствующей образованию трещин, приводит к уменьшению электрической
прочности. Исключение представляет лишь соотношение исходных компонентов, где
содержание Zn максимально. В этом случае рыхлые оболочки частиц представляют собой
диэлектрические зоны, что приводит также к росту величины пробоя [9, 14].
Выводы
1. Показана возможность получения композиционных материалов на основе Na-КМЦ с
порошками Zn, Al с заданной электрической прочностью.
2. Установлена взаимосвязь между микроструктурой композиционных материалов с
порошками Zn, Al и изменением электрической прочности.
Литература
1. Ю.Е. Калинин и др. // Письма в ЖТФ, 2009, т. 35, вып.1, С.90-97.
2. Труфакина Л.М. // Изв. Томск. Политехн. Университета. 2006. Т. 309. № 5. С.100 –102.
3. Базарнова Н.Г. и др. //Химия растительного сырья. 2005. № 3. С. 75-84.
4. Патент № 2266307 РФ: МПК7 С 08L 1/28, С 09 D 199/00, С 09 J 101/28, B 65 D 90/06.
Защитное покрытие для металлических поверхностей/ Н.М. Антонова, О.В. Аксенова, В.И.
Кулинич, И.А. Неелова.- Заявл.23.08.2004; опубл. 20.12.2005, Бюл.№35.
5. Патент №2321610 РФ: МПК С09D 101/28, С08L 1/28, В65D 90/06,С08К3/08,С08К5/053. –
№ 2007100297/04. /Н.М. Антонова, Г.Г. Мельник.- заявл.09.01.2007;опубл. 10.04.2008, Бюл.
№ 10.
6. 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.
7. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической
технологии, М.: Высшая школа, 1985, -319 С.
8.Антонова Н.М.//Изв.вузов. Порошк.металлургия и функц.покрытия.2009. № 1. С. 40-44.
9. Рыжонков Д.И., Левина В.В., Дзидзигури Э.Л. Ультрадисперсные системы: физические,
химические, механические свойства: Учебн.пособие.-М.: МИСиС, 2005.-113 С.