Влияние природы металлонаполнителя на электропроводность полимерной композиции на основе поливинилацетата

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Башкирский государственный университет

Влияние природы металлонаполнителя на электропроводность полимерной композиции на основе поливинилацетата

Глазырин Андрей Борисович, Басыров Азамат Айратович,

Николаев Алексей Валерьевич, Нургалеев Ильшат Ильдусович,

Султанов Айнур Ильдарович

АННОТАЦИЯ

порошок металл полимерный поливинилацетат

Показана возможность применения порошков и волокон различных металлов в качестве наполнителей для полимерной композиции на основе поливинилацетата (ПВА). Изучены электропроводящие свойства полученных композиций на основе ПВА, наполненных никелевым волокном и порошками металлов: никеля, алюминия, свинца и меди. Определены наиболее подходящие металлические наполнителя в полимерной композиции для использования их в 3D-печати.

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, электропроводность, металлонаполнители, 3D-печать.

ANNOTATION

INFLUENCE OF THE NATURE METALLONAPOLNITELYA ON THE ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF THE POLYMER COMPOSITION ON THE BASIS OF PVA

The possibility of using powders of different metals and fibers as fillers in polymer compositions based on polyvinyl acetate (PVA). We studied the properties of the conductive compositions based on PVA, and filled with a nickel fiber powder metals: nickel, aluminum, lead and copper. Determine the most suitable metal filler in the resin composition for use in 3D-printing.

Keywords: polymer composite material, the electrical conductivity, metallonapolniteli, 3D-printing.

Электропроводящие полимерные композиции могут найти применение для производства 3D-печатных электропроводящих материалов, таких как механосенсоры, приборы емкостного обнаружения, автоматизированные динамичные механизмы[1]. Одной из наиболее удобных полимерных матриц для создания такого рода композиций для 3D-печати является поливинилацетат. Благодаря высокой текучести которой обеспечивается возможность введения высоких концентраций наполнителя для достижения требуемых значений электропроводности [2].

Целью работы являлось изучение влияние природы и морфологии металлонаполнителя на электрические свойства полимерных композитов и получение электропроводящих полимерных материалов на основе поливинилацетата с необходимыми для 3D-печати электрическими свойствами.

ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исходные вещества: поливинилацетат (ПВА) марки М10, порошки никеля: марки А-2, марки NI-122, марки АЭII-БТ, марки ПНЭ-1 «ЛЮКС», никелевое волокно (диаметр волокна:20 мкм; длина волокон: 260 мкм; 700 мкм; 1000 мкм), припой марки «ПОС-63», свинец марки «ПС1», алюминий марки «ПАД-4», алюминий с аппретом марки «ПАД-4», медь марки «ПМУ».

Оборудование: лабораторный экструдер (характеристики шнека L=300 мм, D=20 мм, L/D=15 мм, глубина гребня 16,5 мм, шаг витка 20 мм); кондуктометр (диапазон измерений 1Ом - 200 МОм, относительная погрешность 0,5%).

Композиции на основе ПВА готовили путем смешения в металлическом цилиндре в течение 5 мин при скорости перемешивания 440 мин-1.

Получаемые порошкообразные композиции компаундировали на лабораторном одношнековом экструдере при температуре 160-180єС с последующим дроблением экструдата.

Для определения электропроводности полимерных композиций использовали цилиндрические жгуты длиной 20±0,05мкм и диаметром 4±0,04мкм. Определение электропроводности компаундов производили контактным способом согласно ГОСТ 22372.

Расчет удельного электрического сопротивления проводили по формуле:

(1)

где: с - удельное сопротивление, ОмЧсм;

R - сопротивление образца, Ом;

r - радиус образца, cм;

l - длина образца, cм.

Логарифм удельной электропроводности определяли по формуле:

Таблица 1 Средний диаметр частиц марок никелевого порошка

Таблица 2 Гранулометрический состав никелевого порошка марки А-2

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Известным способом направленного регулирования механических свойств, а также электропроводности полимеров является введение в их состав наполнителей.

В качестве полимерной матрицы для изучения электрических свойств полимерной композиции был использован поливинилацетат (ПВА), наполненный металлическими порошками, которые отличаются средним диаметром частиц.

Изучено влияние природы металлических порошков на электропроводность полимерной композиции на основе ПВА. Электропроводность полимерных материалов увеличивается с введением металлических добавок.

Рис.1 Зависимость электропроводности ПВА композиций наполненных металлическим порошком от природы наполнителя (условия измерения ПТР: 130°С, 49Н). Марка Ni порошка: 1 -- свинец марки «ПС1», 2 -- никель марки «А-2» и алюминий марки «ПАД-4», 3 -- алюминий с апретом «ПАД-4», 4 -- Медь марки «ПМУ»

Изучена зависимость электропроводности ПВА наполненной металлическими порошками от природы наполнителя (рис. 1). Установлено, что использовании металлических добавок содержанием от 0 до 40 об.% в полимерной композиции на основе ПВА практически не влияет на электропроводность. Полимерная композиция на основе поливинилацетата, содержащая алюминий с апретом «ПАД-4» и медь марки «ПМУ», демонстрируют практически близкие значения электропроводности при содержании наполнителя 60 об.%. При содержании свинца марки «ПС1» 60 об.% электропроводность полимерного материала на основе ПВА составляет -- 0,5 (ОмЧмм)-1, тогда как в случае содержания никеля марки А-2 данный параметр равен -3,7 (ОмЧмм)-1. Электропроводность полимерной композиции на основе ПВА, содержащей металлические порошки никеля марки А-2 и алюминия марки «ПАД-4» практически одинаковы (кривая 2, рис.1).

Введение свинца от 40 об.% до 70 об.% приводит к повышению электропроводности от -6,1 до -0,4 (ОмЧм)-1, что, возможно, объясняется образованием электропроводящей сетки в полимерной матрице. Данное явление возможно связанно с тем, что частицы свинца подвергаются деформации и ориентации в полимерной матрице под действием сдвиговых напряжений, в процессе получения полимерной композиции, и образуют контактную электропроводящую сетку. Более низкое значение электропроводности полимерной композиции на основе алюминиевых, медных и никелевых порошков возможно также связано с тем, что ПВА благодаря высокой текучести обволакивает частицы наполнителя и предотвращает образование контактной сетки.

Таким образом, свинцовый порошок позволяет получать композиции с наибольшей электрической проводимостью, что говорит о перспективности его применения в полимерных композициях для 3D-печати.

Значительное влияние на электропроводность полимерных композитов оказывает не только природа наполнителя, но и средний диаметр частиц. В качестве модельной системы для изучения влияния среднего размера частиц наполнителя использованы полимерные композиции на основе ПВА наполненного никелевым порошком с различным диаметром частиц наполнителя (рис. 2).

Рис.2 Зависимость электропроводности ПВА композиций, наполненных никелевым порошком от среднего диаметра частиц наполнителя (условия измерения ПТР: 130°С, 49Н). Марка Ni порошка: 1 -- NI-122, 2 -- Марка А-2, 3 - АЭII-БТ, 4 -- ПНЭ-1 «ЛЮКС»

Изучено влияние гранулометрического состава металлического порошка на электропроводность композиции. Установлено, что электропроводность полимерных композиций на основе ПВА при введении порошков никеля от 0 до 30 об.% практически не изменяется. Введение наполнителя никеля марки ПНЭ-1 «ЛЮКС» в композицию от 40 до 70 об.% приводит к увеличению электропроводности от -6,4 до -5,7(ОмЧм)-1, с введением никеля марки АЭП-БТ от 40 до 70 об.% электропроводность увеличивается до -4,1(ОмЧм)-1. Наиболее значительное увеличение электропроводности -3,2(ОмЧм)-1 и -1,4(ОмЧм)-1 происходит при добавлении в композицию никеля марок А-2 и NI-122. Основное влияние на электропроводность полимерной композиции оказывает средний диаметр частиц наполнителя (табл. 1).

Таким образом, никелевые порошки марки NI-122 и марки А-2 обладают высокими электрическими свойствами (-1,4 и -3,2 (ОмЧм)-1) по сравнению с порошками никеля марок АЭII-БТ и ПНЭ-1 «ЛЮКС» (-4,1 и -5,7 (Ом*м)-1). Это говорит о возможности использования композиций наполненных никелем марокNI-122 и А-2 в 3D-печати.

Также как от природы наполнителя и среднего диаметра частиц, электропроводность полимерных композиций зависит от гранулометрического состава наполнителя. В качестве примера влияния гранулометрического состава использовали ПВА наполненный никелевым порошком марки А-2 с различным гранулометрическим составом (табл. 2 и рис. 3).

Рис.3 Зависимость электропроводности ПВА композиций наполненных никелевым порошком от гранулометрического состава наполнителя (130°С, 49Н). Порошок никеля: 1 -- марка А-2 (гранулометрический состав №2), 2 -- марка А-2 (гранулометрический состав №1)

Установлено, что при введении порошка никеля марки А-2 гранулометрического состава № 1 и № 2 от 0 до 70 об.% в полимерную композицию электропроводность изменяется от -6,5 до -3,2 (ОмЧм)-1.Электропроводность композиции наполненной гранулометрическим составом № 2 от 45 до 70 об.% ниже, чем у композиции наполненной гранулометрическим составом № 1. Данное явление, возможно, объяснить тем, что увеличение количества, частиц наполнителя с малым диаметром, в составе композитов увеличивает электропроводность полимерной матрицы за счет образования контактной сетки.

Таким образом, электропроводность компаунда зависит не только от природы и диаметра частиц электропроводящего наполнителя, но и от его гранулометрического состава. Композиции, включающие в состав наполнитель с широким распределением диаметра частиц, обладают более высокой электропроводностью.

Известно, что введение в состав полимерной композиции коротких металлических волокон позволяет значительно улучшить технологические, эксплуатационные и электрические свойства таких композиций[3].

Установлено, что электропроводность композиций на основе ПВА наполненных никелевым волокном диаметром 20 мкм и длиной от 260 до 1000 мкм увеличивается от -6,5 до 2,5 (ОмЧм)-1, тогда как при введение порошков никеля от 0 до 70 об.% электропроводящие свойства композиции повышаются от -6,5 до -1,4 (ОмЧм)-1 (рис. 2 и 4). Это возможно объясняется тем, что волокна образуют прочную контактную сетку контактов между собой, за счет чего увеличивают электропроводность композитов.

Рис.4 Зависимость электропроводности ПВА композиций, наполненных никелевым волокном от длины элементарной нити (условия измерения ПТР: 190°С, 49Н). Характеристики никелевых волокон: 1 -- диаметр:20 мкм, длина: 260 мкм; 2 -- диаметр:20 мкм, длина: 700 мкм; 3 -- диаметр:20 мкм, длина: 1000 мкм

Электропроводящие свойства композиции наполненной никелевым волокном длиной 260 мкм значительно ниже, чем наполненные волокном длиной 1000 мкм. Так при 60 об.% электропроводность композита с добавлением волокна длиной 260 мкм равна 0,3(ОмЧм)-1, а с добавлением волокна 1000 мкм - 2,5 (ОмЧм)-1.Данные различия, возможно, связаны с длиной элементарной нити никелевого волокна, что в свою очередь обуславливает площадь соприкосновения поверхностей наполнителя и полимерной матрицы, также повышает вероятность образования контактов между частицами наполнителя. Волокна по сравнению с порошками при близких степенях наполнения более склонны к образованию контактной сетки поэтому обеспечивают более высокую электропроводность.

Таким образом, полимерный композиционный материал на основе ПВА наполненный никелевыми волокнами демонстрирует более высокое значение электропроводности по сравнению с полимерной композицией наполненной никелевыми порошками.

ВЫВОДЫ

Таким образом, используя, применяя изменяя природу электропроводящего наполнителя и его содержания в ПВА-композициях продемонстрирована возможность получения электропроводящих полимерных композитов для 3D-печати в зависимости от требований, предъявляемых к конечным трехмерным прототипам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трехмерные прототипы на основе угленаполненных электропроводящих композиций/ Абдуллин М.И., Басыров А.А., Колтаев Н.В., Кокшарова Ю.А.; Опубл. 11.2015

2. Пат. №2597675 Россия, Электропроводящая полимерная композиция для 3D-печати/Абдуллин М.И., Басыров А.А., Николаев С.Н., Колтаев Н.В., Гадеев А.С., Кокшарова Ю.А., Нагаев Р.Р.; Опубл. 24.08.2016

3. Зиновьев С. И., Сарин Л. И.Композиционный электропроводный материал. Сибирский научно-исследовательский институт энергетики. Авторское свидетельство №1810913. Опубл. 23.04.1993.

4. Пат. №2541797 Россия, Способ получения электропроводящих эластомерных металлсодержащих композиций./Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ), Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН)/Новаков И. А., Каблов В. Ф., Петрюк И. П. и др. Опубл. 20.02.2015.

5. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. -- 2-е изд., испр. и доп.-- М.: Машиностроение, 1986. -- 384 с.

Размещено на Allbest.ru