Дослідження структури і термомеханічних властивостей термопластів на основі поліетилену з нанорозмірними карбідами
Дидактичні засади навчально-наукового експерименту, як наукового компонента формування компетентності у фаховій підготовці учителів фізико-технічних дисциплін. Характеристика результатів дослідження структури і термопластичних властивостей термопластів.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 16.11.2018 |
| Размер файла | 84,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРИ І ТЕРМОМЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТЕРМОПЛАСТІВ НА ОСНОВІ ПОЛІЕТИЛЕНУ З НАНОРОЗМІРНИМИ КАРБІДАМИ
В. П. Гордієнко,
А. В. Касперський,
В. Г. Сальников
Постановка проблеми. Вивчення природничих, зокрема фізики, хімії, та технічних дисциплін має певну відмінність від вивчення інших фахових дисциплін, що полягає у поєднанні теоретичних курсів, практичної роботи та навчального експерименту. Поряд з цим як компонент стратегічної навчально-наукової моделі в рамках стратегії розвитку освіти в Україні чільне місце відведено науковому експерименту у розвитку креативності та інтенсифікації формування компетентних навчально-педагогічних кадрів. На нашу думку, поєднання науки і навчання у фаховій підготовці вчителів фізики і технологій визначає необхідність інтеграції знань дисциплін природничого і технічного змісту. Тобто, у галузі споріднених наук та формування практичних навичок в інженерії та ІКТ.
Аналіз останніх досліджень і публікацій. Раніше нами було показано [1-3], що введення нанорозмірних добавок сульфідів і оксидів в лінійний поліетилен веде до суттєвих змін молекулярної і надмолекулярної структури композиційного матеріалу і як наслідок до підвищення параметрів його фізико-механічних характеристик. При цьому основним переважаючим фактором якісного покращення властивостей термопластичних матеріалів, являється хімічна взаємодія між структурними елементами органічних макромолекул і поверхнею нанорозмірних добавок неорганічної природи, внаслідок термомеханічного впливу і УФ - опромінення вказаних композицій.
Не дивлячись на хімічну інертність карбідів можливі фізичні взаємодії на атомарному рівні карбону наповнювача через карбонну групу в полімері.
Метою дослідження є поглиблення знань з фізики, хімії і технологій та автоматичних систем, що використовуються в експерименті, а також формування науково-експериментальних навичок майбутніх вчителів фізики і технологій.
Створення надійних у використанні, стійких до термомеханічного навантаження матеріалів, удосконалення їх експлуатаційних властивостей є важливим науковим напрямком у дослідженні структури та фізико-хімічних властивостей промислових композиційних матеріалів, зокрема, на полімерній основі.
На нашу думку, природним є використання в якості добавок нанорозмірних карбідів, які модифікують структуру і, очевидно, покращуючи фізико-хімічні властивості термопластичних матеріалів, у зв'язку з їх спорідненістю з структуротвірним полімерним карбоном. Так, як подібні досліди композиційних систем, на основі термопластичних матеріалів - наповнених нанорозмірними частками карбіду, практично системно не проводились.
Таким чином, наша робота присвячена дослідженню дії нанорозмірних карбідів на структуру типового термопластичного матеріалу (поліетилену) і дослідженню термомеханічних властивостей отриманих нанокомпозитів.
В якості термопластичного матеріалу промисловий ба- гатотоннажний полімер - лінійний поліетилен (ПЕ) із серед- ньов'язкісною молекулярною масою 9, 5х104 і ступенем кристалічності 54%. В якості нанодисперсних добавок використовували групу карбідів кремнію, титану і молібдену (SiC; TiC; MoC; на основі елементів - 3р2; 3d24s2; 4d55s1 і, зрозуміло, 2р2). Добавки нанорозмірних карбідів в ПЕ вводились в кількості 0, 2 - 7, 0 об'ємних відсотків. Із композицій, отриманих гомогенізацією розплаву полімеру з добавками нанорозмірних карбідів в пластографі Бребендера (40 хв. при 453 К), методом гарячого пресування (тиск 35 МПа при температурі 443 К протягом 20 хв.) виготовлялися зразки товщиною 3±0, 1 мм. Рівень взаємодії полімер-наповнювача в процесі модифікації оцінювання по вмісту гель-фракції. Характеристики нанорозмірних карбідів представлені в табл. 1.
Таблиця 1 Характеристики нанорозмірних карбідів
|
Параметри часток |
SiC |
TsC |
MoC |
|
|
Розмір, нм |
20-40 |
50-70 |
30-50 |
|
|
Питома поверхня, м2/г |
60-80 |
10-30 |
45-65 |
|
|
Щільність, г/м3 |
3, 22 |
4, 92 |
8, 4 |
|
|
Форма |
Кубічна |
Кубічна |
Кубічна |
Для коректного порівняння властиво стей за аналогічним режимом оброблявся базовий полімер і з вмістом оксидного наповнювача. Вміст гель-фракції (зшитих макромолекул) і кількості щепленого полімеру на частках нанорозмірних карбідів оцінено шляхом екстракції незв'язаних макромолекул ПЕ і вільних нанорозмірних часток карбідів киплячих толуолів до постійної ваги залишку так як в роботах [2; 3].
Як відомо, будь-які, властивості речовин залежать від структури, що характеризується як статична та динамічна.
Оцінка структури наповненого полімеру, як правило, виконується традиційними методами, що дає можливість вказати на зміну властивостей внаслідок модифікації, зокрема, полімеру модифікованого нанокомпозиційними карбоновими сполуками з наступним ультрафіолетовим опроміненням. Нами досліджено рівень впливу наночастинок карбідів на термомеханічні властивості систем в температурних межах 350-500 К.
Термомеханічний аналіз (ТМА) матеріалів виконувався за методом Каргіна-Соголової [4] при швидкості нагрівання 1 К/хв. і періодичному навантаженні 0, 5 МПа протягом 10 с. Залежність деформації при стисканні зразків від температури досліджувалась на термомеханографі, аналогічним описаному в роботі [5]. За термомеханічними кривими оцінювали температуру початку високоеластичної деформації і її величину [4].
Характер взаємодії макромолекул ПЕ з поверхнею нанорозмірних карбідів достатньо повно виражається кількістю щепленого полімеру і вмістом гель-фракції у зразках термопластичного матеріалу в залежності від концентрації в ньому на- норозмірних добавок (табл. 2). Після спалювання гель-фракції при температурі 873 К встановлено, що кількість щепленого полімеру зростає при підвищенні концентрації нанорозмірних карбідів, досягаючи 25-31% в залежності від їх природи, при 7% вмісті домішок. Подібна тенденція дотримується у всіх випадках вмісту гель-фракції ПЕ в цих композиціях. Причому, вміст гель-фракції ПЕ у всіх випадках нижчий, чим кількість привитого полімеру на нанорозмірних частках карбідів, а ефективність цих процесів падає в ряді: SiC > TiC > MoC.
Таблиця 2 Вплив концентрації нанорозмірних добавок (Ф карбідів кремнію, титану і молібдену на кількість привитого полімеру (Р) і вміст гель-фракції (G) в композиціях
|
ф, % |
Р. % |
G, % |
|||||
|
SiC |
TiC |
MoC |
SiC |
TiC |
MoC |
||
|
0, 2 |
7 |
5 |
3 |
5 |
3 |
2 |
|
|
0, 5 |
11 |
9 |
7 |
8 |
6 |
5 |
|
|
1, 0 |
16 |
13 |
12 |
13 |
10 |
9 |
|
|
3, 0 |
21 |
19 |
16 |
17 |
15 |
13 |
|
|
5, 0 |
27 |
24 |
20 |
21 |
18 |
16 |
|
|
7, 0 |
31 |
28 |
25 |
25 |
22 |
20 |
На основі даних табл. 2 і досліду робіт [2; 3] можна вважати, що частина макромолекул ПЕ після термомеханічної дії в розплаві полімеру з нанорозмірними частками карбідів при отриманні зразків хімічно прививаються на поверхні цих часток. Нанорозмірні частки карбідів, очевидно, також зв'язані з просторовою сіткою полімеру. Різниця в ефективності впливу добавок, що досліджуються, нанорозмірних карбідів на молекулярну структуру ПЕ напевно визначається лінійними параметрами часток цих карбідів (табл. 1).
Важливою характеристикою термопластичних матеріалів являється величина деформації при невеликих спалю- вальних навантаженнях, визначена в широкому діапазоні температур [4]. На рис.1 показана така залежність в інтервалі температур 370-490 К. Видно, що деформація вихідного ПЕ починає проявлятися при 373 К і досягає 91% при 392 К.
Введення нанорозмірних карбідів дещо зменшує значення початку деформації ПЕ до температури 395 К, переводячи потім полімер в високо еластичний стан. Наявність в ПЕ, який містить карбіди, просторової сітки (гель-фракції) і привитих макромолекул на поверхні нанорозмірних часток (табл. 2) призводить до того, що полімер після температури 415 К проявляє виску еластичність (рис. 1). Значення високо еластичної деформації ПЕ в температурному діапазоні 415490 К різне в залежності від природи введених нанорозмірних карбідів. Найбільше значення високо еластичної деформації (23-28%) має полімер, який містить 7% МоС, а найменше (9-14%) - ПЕ, який містить 7% SiC. Полімер з 7% ТіС займає проміжне положення (16-21%). Порівнюючи дані табл. 1 і рис. 1, можна стверджувати, що результати термомеханічного аналізу і зміни молекулярної структури термопластичних систем: поліетилен - нанорозмірні карбіди добре узгоджується між собою. Це узгодження корелює з температурними коефіцієнтами теплоємності та механічних втрат, що відображається на температурних залежностяхта tgS. dCp
dT
Можна з достатньою мірою імовірності твердити, що інтенсивність tgS a-процесів зростає на 10-15%, а температурна крива Р та зазнає змін в межах - 7-12 кДж/кг-К. Це dT пояснюється зростанням в'язкості середовища. Зміщення tgS сторону підвищення температур вказує на зростання сегментальної рухливості.
Зміни в молекулярній структурі полімерних нанокомпозитів однозначно відображаються на термомеханічних властивостях цих матеріалів. Можна припустити, що введення у вуглеводневі полімери великої кількості нанорозмірних карбідів призведе до отримання матеріалів з унікальними властивостями.
Отже, науковий експеримент, на нашу думку, є важливою складовою фахової підготовки майбутніх учителів фізики та технологій. В процесі аналізу одержаних результатів, що представлені у статті, передбачено можливість поглибити знання з фізики, хімії і технології, а також виробити дослідницькі навички студентів природничо-технічних галузей знань і розширити уявлення про можливості одержання технічних матеріалів на основі наномодифікованих полімерів, що спряжене з новітніми технологіями.
Створення технічних матеріалів з технологічно передбачуваними експлуатаційними властивостями є першочерговим завданням наукових досліджень фізико-хімічних властивостей. Такі дослідження можливі лише в комплексному аналізі структурних перетворень та зміні властивостей.
навчальний технічний учитель термопласт
Список використаних джерел
1. Гордиенко В.П. Влияние дисперсности частиц неорганической добавки на структуру и свойства линейного полиэтилена / В.П. Гордиенко, О.Н. Мустяца, В.Г. Сальников // Пластические массы. - 2007. - №12. - С. 11-13.
2. Гордиенко В.П. Влияние старения в естественных и иску- ственных условиях на износостойкость антифрикционных композиций полиэтилена / В.П. Гордиенко, А.В. Касперский, В.Г. Сальников // Энциклопедия инженера-химика. - 2012. - №2. - С. 30-34.
3. Гордиенко В.П. Действие УФ-облучения на структуру и свойства линейного полиэтилена содержащего дисперсные и на- норазмерные диоксиды кремния и титана / В.П. Гордиенко, В.Г. Сальников // Энциклопедия инженера-химика. - 2014. - № 2. - С. 2-10.
4. Тейтельбаум Б.Я. Термомеханический анализ полимеров / Б.Я. Тейтельбаум. - М.: Наука, 1979/ - 236 с.
5. Регета В.П. Прибор для термомеханических испытаний полимеров / В.П. Регета // Механика полимеров. - 1968. - №5. - С. 940-942.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Характеристика основних властивостей рідких кристалів. Опис фізичних властивостей, методів вивчення структури рідких кристалів. Дослідження структури ліотропних рідких кристалів та видів термотропних.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 17.06.2010Електрофізичні властивості гранульованих плівкових сплавів в умовах дії магнітного поля. Дослідження електрофізичних властивостей двошарових систем на основі плівок Ag і Co, фазового складу та кристалічної структури. Контроль товщини отриманих зразків.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 08.07.2014Дослідження електричних властивостей діелектриків. Поляризація та діелектричні втрати. Показники електропровідності, фізико-хімічні та теплові властивості діелектриків. Оцінка експлуатаційних властивостей діелектриків та можливих областей їх застосування.
контрольная работа [77,0 K], добавлен 11.03.2013Вивчення основних закономірностей тліючого розряду. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників.
методичка [389,4 K], добавлен 20.03.2009Вивчення будови та значення деревини в народному господарстві. Опис фізичних та хімічних властивостей деревини. Аналіз термогравіметричного методу вимірювання вологості. Дослідження на міцність при стиску. Інфрачервона та термомеханічна спектроскопія.
курсовая работа [927,3 K], добавлен 22.12.2015Вивчення закономірностей тліючого розряду, термоелектронної емісії. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту, впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів.
учебное пособие [452,1 K], добавлен 30.03.2009Теплофізичні методи дослідження полімерів: калориметрія, дилатометрія. Методи дослідження теплопровідності й температуропровідності полімерів. Дослідження електричних властивостей полімерів: електретно-термічний аналіз, статичні та динамічні методи.
курсовая работа [91,3 K], добавлен 12.12.2010Вплив умов одержання, хімічного складу і зовнішніх чинників на формування мікроструктури, фазовий склад, фізико-хімічні параметри та електрофізичні властивості склокерамічних матеріалів на основі компонента з фазовим переходом метал-напівпровідник.
автореферат [108,5 K], добавлен 11.04.2009Перші дослідження електромагнітних явищ. Проблеми поведінки плазми в лабораторних умовах і в космосі. Взаємодія електричних зарядів і струмів. Методи наукового пізнання. Фахові фронтальні лабораторні роботи, які проводяться під керівництвом викладача.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 20.01.2016Дослідження теоретичних методів когерентності і когерентності другого порядку. Вживання даних методів і алгоритмів для дослідження поширення частково когерентного випромінювання. Залежність енергетичних і когерентних властивостей вихідного випромінювання.
курсовая работа [900,7 K], добавлен 09.09.2010Експериментальне дослідження й оцінка термо- і тензорезистивних властивостей двошарових плівкових систем на основі Co і Cu, Ag або Au та Fe і Cr та апробація теоретичних моделей. Феноменологічна модель проміжного шару твердого розчину біля інтерфейсу.
научная работа [914,9 K], добавлен 19.04.2016Акумуляція енергії в осередку. Анізотропія електропровідності МР, наведена зовнішнім впливом. Дія електричних і магнітних полів на структурні елементи МР. Дослідження ВАХ МР при різних темпах нагружения осередку. Математична теорія провідності МР.
дипломная работа [252,7 K], добавлен 17.02.2011Отримання швидкісних і механічних характеристик двигуна в руховому та гальмівних режимах, вивчення його властивостей. Аналіз експериментальних та розрахункових даних. Дослідження рухового, гальмівного режимів двигуна. Особливості режиму проти вмикання.
лабораторная работа [165,5 K], добавлен 28.08.2015Дослідження властивостей електричних розрядів в аерозольному середовищі. Експериментальні вимірювання радіусу краплин аерозолю, струму, напруги. Схема подачі напруги на розрядну камеру та вимірювання параметрів напруги та струму на розрядному проміжку.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 26.08.2014Види магнітооптичних ефектів Керра. Особливості структурно-фазового стану одношарових плівок. Розмірні залежності магнітоопіру від товщини немагнітного прошарку. Дослідження кристалічної структури методом електронної мікроскопії та дифузійних процесів.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 19.04.2016Розмірні і температурні ефекти та властивості острівцевих плівок сплаву Co-Ni різної концентрації в інтервалі товщин 5-35 нм та температур 150-700 К. Встановлення взаємозв’язку морфології, структури та електрофізичних властивостей надтонких плівок.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 12.12.2011Дослідження процесів самоорганізації, що відбуваються у реакційно-дифузійних системах, що знаходяться у стані, далекому від термодинамічної рівноваги. Просторово-часові структури реакційно-дифузійних систем типу активатор-інгібітор. Диференційні рівняння.
автореферат [159,0 K], добавлен 10.04.2009Формування структури електричної мережі для електропостачання нових вузлів навантаження. Вибір номінальної напруги ліній електропередавання. Вибір типів трансформаторів у вузлах навантаження та розрахунок параметрів їх схем заміщення. Регулювання напруги.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 27.02.2012Дослідження особливостей будови рідких кристалів – рідин, для яких характерним є певний порядок розміщення молекул і, як наслідок цього, анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей. Способи одержання та сфери застосування.
курсовая работа [63,6 K], добавлен 07.05.2011Вивчення фізичних властивостей галогеносрібних та несрібних фотоматеріалів. Розгляд будови діазоплівки. Характеристика методів ("подвійний", "вибуховий" та негативно-позитивний, з підшаром), причин та способів усунення порушень якості фотолітографії.
курсовая работа [941,7 K], добавлен 12.04.2010
