Описание «электропроводящих полимеров»
Полимеры нашли широкое применение в современном мире, их технологические и эксплуатационные свойства дают возможность использовать эти материалы повсеместно. Они обладают высокой стойкостью, прочностью, плотностью, эластичностью, не подвержены электрохимической коррозии, воздействию растворителей органического происхождения. 
Имеющиеся недостатки полимеров (невысокая жесткость, деформируемость, податливость, зависимость от многих внешних факторов и др.) можно свести к минимуму путем использования современных технологий их переработки с добавлением различных наполнителей.
В большинстве случаев полимерные материалы плохо проводят электрический ток, однако в виде композиций в сочетании с электропроводящими наполнителями они широко используются. Процесс добавления примесей в состав соединения или изменение структуры полимеров для повышения их электропроводности представляет собой процесс легирования.
Развитие молекулярной химии привело к появлению электропроводящих полимеров, обладающих способностью уже самостоятельно на молекулярном уровне передавать электрический ток. Ученые неоднократно награждались за вклад в развитие данного научного направления.
Свойство электропроводности полимерных материалов основано на движении электронов в их молекулах, легирование которых изменяет их энергетическое состояние, повышая проводимость.
Первоначальные образцы электропроводящих полимеров обладали низкими технологическими характеристиками, плохо поддающиеся переработке. Качество и свойства современных полимерных материалов уже намного выше и обширнее: они обладают не только внутренней проводимостью, но и стабильностью и возможностью их переработки в порошкообразное состояние, пленку и волокнистые образования.
Важное преимущество современных полимеров с внутренней проводимостью — они способны смешиваться с другими полимерами и металлами. Такие экспериментальные сочетания позволяют производить материалы с уникальными свойствами.
Магнитные свойства полимеров
Полимеры обладают и магнитными свойствами, выражающиеся в магнитной восприимчивости и магнитном резонансе. Магнитные пластики отличаются особой структурой расположения частиц добавленных примесей. Размер последних, их форма, степень концентрации в композиции и магнитный свойства, а также особенности молекул основного полимерного материала определяют физические и технологические параметры магнитных свойств полимеров.
Создание наполненных полимерных композитных материалов на основе микро- и наночастиц — одно из актуальных направлений развития современных полимерных технологий. Наполненные полимерные композиты на основе магнитотвердых частиц могут быть использованы для производства композиционных постоянных магнитов. Существенным преимуществом такого рода материалов является возможность получать изделия сложной формы, использовать стандартные технологии изготовления изделий, характерных для полимерных материалов. При этом материалы обладают хорошими механическим свойствами.
Магнитные наполнители, часто бывают полидисперсными. А магнитные свойства наполнителя, в отличие от электрических свойств, в значительной мере зависят от размера частиц. С уменьшением размера частиц магнитная проницаемость порошков снижается. Для определения магнитной проницаемости композитных материалов, содержащих ферромагнитные полидисперсные наполнители, используется . формула Лихтенеккера, учитывающая магнитную проницаемость каждой фракции полидисперсного порошка.
Распределение дисперсных частиц наполнителя в полимерной матрице обусловливает магнитные характеристики конечного изделия. Особое внимание в наполненных и высоконаполненных системах уделяется свойствам межфазного слоя и межфазного взаимодействия на границе полимер-наполнитель.
Улучшение магнитных свойств как магнитотвердых, так и магнитомягких полимерных композитов достигается повышением доли магнитного порошка в композиции, а также выбором наполнителя с лучшими магнитными характеристиками. Однако увеличение степени наполнения выше критического значения приводит к ухудшению механических свойств композиции. Взаимодействие на межфазной границе может сказываться и на магнитных свойствах композитов. Исследования межфазного взаимодействия полимера и магнитного наполнителя, комплексное понимание процессов, происходящих в композите на границе раздела фаз позволит создать магнитополимерные композиты, обладающие оптимальными эксплуатационными свойствами.
Выбор полимерной матрицы и магнитного наполнителя обуславливает функциональность конечного материала и изделия. Если в качестве полимерной матрицы используется термопластичный полимер, то наполненный композиционный материал будет обладать свойствами, которые характерны для выбранной полимерной матрицы. Эти свойства существенно отличаются от характеристик магнитов на основе металлов и сплавов.
Магнитопластики используются в электронной, медицинской промышленности, в электротехнике, машиностроении.
Теплофизические свойства полимеров
В большинстве случаев процессы формования изделий из композитов протекают при повышенных температурах, которые необходимы для перевода матрицы (термопластичной полимерной или металлической) в жидкое или вязкотекучее состояние, а также для отверждения термореактивных полимерных матриц. Значительную часть основного технологического времени процессов формования изделий составляет продолжительность нагревания и последующего охлаждения, что существенно влияет на их производительность. Повышение температуры материала и последующее охлаждение изделий могут приводить к нежелательным явлениям — к термодеструкции компонентов, к усадке, короблению и возникновению остаточных напряжений. В связи с этим оптимизация тепловых режимов является важным компонентом разработкию
Отвода тепла от нагретого в процессе формообразования изделия при его охлаждении, например, зависит от теплопроводности охлаждающей среды. При охлаждении на воздухе тепло отводится за счет конвекции и излучения, а температура поверхности изменяется в зависимости от условий теплоотдачи. При исследовании тепловых процессов рассматривают все компоненты теплового потока. Для практических расчетах используют интегральные характеристики процессов теплопереноса, подтвержденные экспериментальными данными.
Уравнение теплопроводности в однородной и анизотропной сплошной среде (в полуфабрикате или изделии из КМ) при отсутствии внутренних источников зависит от коэффициентов теплопроводности материала, связанных со структурой КМ, удельная теплоемкости и плотности среды.
Распределение температуры в сечении изделия находят в результате решения уравнений теплопроводности при исходном распределении температуры по сечению (начальные условия) и условиях теплообмена на границе (граничные условия). При контактном нагреве или охлаждении задают температуру поверхности — как постоянную или как функцию времени, при нагреве или охлаждении в воздушной среде — поверхностную плотность теплового потока q.
Теплофизические свойства композиционного материала зависят от свойств компонентов, их объемных долей и от структуры КМ (ориентации осей, связанных со структурой по отношению к направлению теплового потока). Эти величины могут быть найдены из экспериментов или приближенно вычислены по заданным свойствам компонентов и структуре КМ. Для расчета тепловых процессов при формовании плоских изделий из КМ обычно достаточно знать плотность и удельную теплоемкость (скалярные величины), а также коэффициент теплопроводности (или температуропроводности) в направлении толщины изделия. В случае волокнистых КМ коэффициент теплопроводности в направлении толщины (перпендикулярно плоскости ориентации волокон) независимо от ориентации волокон в плоскости (однонаправленной, произвольной ортотропной укладки или хаотической ориентации) равен коэффициенту теплопроводности однонаправленного элемента в трансверсальном направлении. При оценке характеристик теплофизических свойств следует учитывать и пористость материала (особенно на ранних стадиях формования).
Точность оценки свойств КМ в значительной мере определяется точностью задания исходных данных. Теплофизические свойства полимерных материалов зависят от природы, молекулярной массы полимера, температуры и давления. Температуропроводность термопластичных полимеров в области температур стеклования и плавления температуропроводность может снижаться в 2-3 раза. В то же время температуропроводность термопластичных расплавов мало зависит от температуры и незначительно отличается от температуропроводности полимера в области нормальных температур. При расчетах желательно задавать в качестве исходных данных показатели свойств компонентов, найденные в условиях наиболее приближающихся к формования изделий, для которых производится последующий тепловой расчет.
Плотность и удельная теплопроводность при наличии достоверных исходных данных о свойствах компонентов и их объемном содержании в КМ определяются достаточно точно и требуют в большинстве случаев экспериментальной проверки. При экспериментальном определении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности КМ с полимерной матрицей используют специальные стандартизированные методы. При нагреве или охлаждении на воздухе помимо теплофизических характеристик материала для проведения расчетов необходимы значения коэффициентов теплопередачи. Известны критериальные соотношения, позволяющие оценить эти коэффициенты для заданных условий осуществления процесса.
В общем случае коэффициент теплопередачи рассматривают как сумму коэффициента теплопередачи за счет конвекции и за счет излучения. Коэффициент конвективного теплообмена является функцией безразмерных критериев Грассгофа и Прандля, характеризующих условия теплопередачи. Эффективность процессов нагрева оценивают по коэффициенту полезного действия (к.п.д.), представляющему собой отношение количество тепла, переданного изделию при нагреве до заданной температуры, к количеству затраченной на это энергии.
Теплопроводность полимерных композитов
Теплофизические свойства наполненных полимеров играют важную роль как в процессах переработки термопластов, так и при эксплуатации готовых изделий. При этом определенное значение для твердых тел играет теплопроводность как один из способов переноса тепла, имеющего атомно-молекулярный характер.
При использовании термо- и реактопластов в качестве корпусов, защитных кожухов, оснований и т.п. в электротехнике, машиностроении или других отраслях промыщленности чистые полимеры имеют очень низкие значения теплопроводности (от 0,15 до 0,5 Вт/мК), что приводит к плохому отводу тепла, нежелательному перегреву ответственных деталей и их преждевременному отказу. Необходимые тепло-физические свойства материала можно получить при добавлении в полимер частиц, имеющих высокую теплопроводность,.
Исходя из анализа работ, посвященных изучению свойств наполненных полимеров можно выделить следующие факторы, влияющие на тепло-физичекие свойства материала:
- микроструктура частиц наполнителя; их теплопроводность; объемное содержание наполнителя; контактное термическое сопротивление между частицами;
- взаимодействие между частицами и полимерной средой;
- свойства матричного полимера;
- распределение частиц в объеме матрицы; технологический процесс изготовления;
- условия эксплутации.
Наряду с экспериментальными исследованиями теплопроводности существует множество теоретических моделей, на основании которых можно предсказать коэффициент теплопроводности наполненного материала, который в первом приближении, определяется через теплопроводность компонентов и их объемное содержание, а также зависит от размера, структуры и распределения частиц наполнителя в объеме матрицы. При этом модели по-разному описывают изменение коэффициента теплопроводности композита с ростом объемного содержания наполнителя.
Электропроводящие полимеры
Основные факторы, которые влияют на удельное сопротивление материалов- это
- микроструктура частиц наполнителя; их удельное сопротивление; объемное содержание наполнителя; контактное сопротивление между частицами;
- взаимодействие между частицами и полимерной средой;
- свойства матричного полимера;
- распределение частиц в объеме матрицы;
- технологический процесс изготовления;
- условия эксплутации.
Технологический процесс и режимы получения изделия является одним из существенных факторов, который часто исследуется в последнее время. Условия изготовления определяют структуру матричного полимера, распределение наполнителя в объеме матрицы, его структурирование и взаимодействие между компонентами и, соответственно, анизотропию свойств.
В настоящее время существует множество способов изготовлении изделий: экструзия, литье под давлением, прессование и т.д. В некоторых случаях для лучшего распределения частиц наполнителя применяют предварительное совмещение наполнителя с полимерной матрицей. Одной из качественных характеристик любого технологического процесса, где происходит объединение дисперсного наполнителя с полимером, является смешение. Другими словами, смешение-это процесс, целью которого является изменение начальной системы с регулярным распределением в систему с нерегулярным, статистическим распределением. В зависимости от вида технологии производства может быть получено определенное распределение частиц и соответственно степень дисперсии одного из компонентов.
Наполнитель в полимерной матрице может образовывать следующую структуру:
Рис.: Распределение частиц наполнителя
матричную, статистическую, ориентированную, слоистую. Кроме того, частицы наполнителя могут быть распределены между гранулами полимера. Все описанные структуры, за исключением матричной, могут существовать в реальных полимерных композитах. Матричная структура используется в качестве расчетной модели.
Статистическая структура (рис.,б) может быть достигнута в случае, когда полимер и наполнитель смешиваются в виде гранул близкого размера (порошковая технология совмещения) при температуре ниже температуры плавления матричного полимера и последующим прессованием. При совмещении компонентов в расплаве (экструзия, литье под давлением) однородное распределение можно достичь при определенных значениях времени смешения и скоростей сдвига. С другой стороны длительное смешение увеличивает время цикла и сокращает проиводительность. Распределение частиц при совмещении в расплаве менее однородно, чем, например, при порошковой технологии и зависит от параметров процесса.
В стандартных технологических процессах гранулы полимера имеют в несколько порядков большие размеры, чем наполнитель. В этом случае кроме времени смешения на распределение частиц наполнителя существенное влияние оказывает вязкость расплава и поверхностное натяжение на границе раздела фаз (для описания процесса смешения используется критерий Вебера). При высокой вязкости и незначительном времени смешения частицы полимера спообны только покрыть гранулы полимера. Распределение частиц в данном случае показано на рис. 1, д.
В последнем варианте можно зафиксировать, что порог протеания наступает при более низких значениях содержания наполнителя, особенно когда наполнитель имеет высокую удельную поверхность. Это явление спользуют, например, при изготовлении изделий c антистатическими свойствами методом холодной экструзии.
Исследованию электропроводности саженаполненных стеклоармированных термопластичных композитов в зависимости от характера распределения частиц наполнителя и структуры композита, а также изучению корреляции между структурой, технологическим процессом изготовления образцов и электрическими и механическими свойствами композитов посвящено множество научных работ.
Изучение электрических и механических свойств саженаполненных стеклоармированных термопластичных композитов показывают, что наряду с содержанием электропроводящего наполнителя существенную роль играют структура материала и технология изготовления образцов. Параметры смешения определяют характер распределения частиц в полимере, их аггломерацию или деаггломерацию, а именно вероятность образования сеточной структуры частиц. Изменения в значениях электропроводности, связанные с выбором того или иного способа изготовления, должны серьезно учитываться при конструировании и производстве изделий электротехнического назначения.