РОЗДІЛ 2
ОБ’ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Характеристика досліджуваних об’єктів
В якості модельних зразків для дослідження були вибрані нанокомпозити на базі
поліпропілену і органомодифікованих частинок аеросилу та нанокомпозити на
основі поліаміду-6 та монтморилоніту. Зразки були надані нашими партнерами:
проф. К. Фрідріхом (Інститут Композиційних Матеріалів, університет м.
Кайзерслаутерн, Німеччина) та проф. Мін-Жі Ронгом (Інститут матеріалознавства,
університет Жонгшань, Гуанджоу, Китай).
2.1.1. Нанокомпозити на базі поліпропілену і органомодифікованих частинок
аеросилу
Характеристика полімерної матриці. В якості вихідної термопластичної полімерної
матриці для дослідження був вибраний ізотактичний поліпропілен (ПП) (тип F401,
індекс течії розплаву ІТР=).
Наповнювач. В якості наповнювача для композитів використовувалися наночастинки
пірогенного аеросилу (Aerosil 1380, Degussa Co., Germany; середній розмір ,
густина). Для послаблення тенденції до агломерації наночастинки були попередньо
модифіковані шляхом радіаційного прищеплення стиролу, для чого перед
змішуванням з мономером стиролу їх було прокалено при 120 °С на протязі 5 годин
із метою усунення можливо адсорбованої води на поверхні. Далі суміш
мономер/частинки (масове відношення 20/100) і певна кількість розчинника було
опромінено - випромінюванням (потужність дози опромінення 1 ) при кімнатній
температурі і атмосферному тиску. Після досягнення дози 10 розчинник видаляли,
а порошок, який залишився, висушували перед поєднанням з термопластичною
матрицею.
Приготування нанокомпозитів. Нанокомпозити отримували змішуванням одногвинтовим
екструдером (25 об/хв.) при температурі 200°С визначеної кількості
поліпропілену і модифікованого наповнювача. Таким чином, для дослідження були
вибрані композиції з різною концентрацією наповнювача, подані в таблиці 2.1.,
Таблиця 2.1
Досліджувані композиції
Композиція
Вміст наповнювача,
об’єм. %
ПП
ПП-0,39
0,39
ПП-0,65
0,65
ПП-1,96
1,96
ПП-4,68
4,68
2.1.2. Нанокомпозити на основі поліаміду 6 та монтморилоніту.
Характеристика полімерної матриці. В якості термопластичної полімерної матриці
використовувався поліамід 6 (RTP Co., Winona, MN; позначений постачальником як
200А)
Наповнювач. В якості наповнювача використали монтморилоніт, який є типовим
представником шаруватих силікатів пакетної будови з дуже великим відношенням
довжини до товщини (товщина окремої пластини становить 1 , довжина – від 100 до
1000 ; питома поверхня – близько ). Монтморилоніт, що використовували для
приготування досліджуваних нанокомпозитів, був модифікований органічними іонами
з гідрофобними хвостами. Вказані вище вихідні компоненти були поєднанні в
екструдері для отримання трьох нанокомпозитів з 2,5, 5,0 і 7,5 мас. %
монтморилоніту (таб. 2.2).
Таблиця 2.2
Досліджувані композиції
Композиція
Вміст наповнювача,
мас. %
200А
299F
2,5
299E
5,0
299D
7,5
2.2. Калориметричні методи дослідження фазових переходів
2.2.1. Метод диференціальної скануючої калориметрії
Визначення питомої теплоємності досліджуваних зразків проводилося з
використанням диференціального скануючого калориметра Perkin Elmer DSC 2,
модифікованого і оздобленого пакетом прикладних програм фірмою IFA GmbH
(швидкість нагрівання зразка 0,05-200 ; інтервал температур 223 – 750 ).
Схема ДСК типу компенсованої потужності
Принцип конструкції ДСК двох основних типів (теплового потоку і компенсованої
потужності) докладно розглянутий у [103]. Нижче приведена схема ДСК типу
компенсованої потужності, рис.2.1.
Тепловий потік, який виділяється на нагрівачі в печі зі зразком, , можна
представити у виді:
, (2.10)
де - деяка функція, що описує витік тепла з печі в блок, яка залежить від
температури блоку і від температури печі (завжди < ), - теплоємність печі, -
теплоємність тигеля, - тепловий потік у зразку.
Аналогічно, тепловий потік, що виділяється на нагрівачі в опорній печі,
дорівнює
. (2.11)
З іншого боку, різниця цих теплових потоків дорівнює: . Коефіцієнт зворотного
зв'язку роблять, можливо, великим (див. додаток 1), так що і навіть . Тоді з
(2.10) і (2.11) випливає: . Якщо зразок поглинає тепло, тільки збільшуючи
теплоємність, то , де - теплоємність зразка. Щоб обчислювати теплоємність
зразка, потрібно мати ненульовий тепловий потік, тобто необхідне сканування по
температурі, . Якщо в зразку відбуваються фазові переходи чи хімічні реакції з
виділенням чи поглинанням тепла, то , де - екзотермічний чи ендотермічний
тепловий потік при фазовому переході, часто проводять вимірювання й
ізотермічно, тобто , при цьому .
Проаналізуємо різницю температури між Тs (температура зразка) та ТR
(температура еталону). Розглянемо відкритий та закритий контур DТ (рис.2.2).
Відкритий контур:
TS meas + TR meas = 2 TAV
dQR/dt = k (TR meas – TR) = WAV
dQS/dt = k (TS meas – TS) = WAV
Закритий контур:
TS meas + TR meas = 2 TAV
dQR/dt = k (TR meas – TR) = WAV
dQS/dt = k (TS meas – TS) = WAV + WD
WD = X (TR meas - TS meas) = X ДT meas
k (TS meas – TS) = k (TR meas – TR) + WD
WD = -k ДT meas + k ДT ( = W)
ДT meas = (W - WD)/k
W = WD[(k/X) + 1] = WD (для k/X << 1)
ДT meas = W/(k + X) = W/X (для k << X)
де k – теплопровідність, WAV – швидкість теплового потоку на початку відкритого
контуру, WD – швидкість теплового потоку на початку відкритого контуру,
пропорційна запису сигналу, Х – коефіцієнт підсилення, W=k ДT – диференціальна
швидкість теплового потоку, яка необхідна для встановлення рівності температур
еталону і зразка.
Розглянемо рівноважний розрахунок:
Tb = T0 + qt
dQS/dt = k(Tb – TS)
dQr/dt = k(Tb – Tr)
QS = Cp (TS – T0)
dQS/dt = Cp sdTS/dt = k(T0 + qt
- Киев+380960830922