Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования

Приведены результаты экспериментальных исследований теплофизических, структурных и механических характеристик низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов, ориентированных на изготовление трубопроводов различных систем, защитных теплоизоляционных слоев энергетического оборудования и пр. Представлен...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Долинский, А.А., Фиалко, Н.М., Динжос, Р.В., Навродская, Р.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2015
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Тепло- и массообменные процессы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142227
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования / А.А. Долинский, Н.М. Фиалко, Р.В. Динжос, Р.А. Навродская // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 6. — С. 5-15. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142227
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1422272018-10-01T01:23:27Z Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования Долинский, А.А., Фиалко, Н.М. Динжос, Р.В. Навродская, Р.А. Тепло- и массообменные процессы Приведены результаты экспериментальных исследований теплофизических, структурных и механических характеристик низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов, ориентированных на изготовление трубопроводов различных систем, защитных теплоизоляционных слоев энергетического оборудования и пр. Представлены данные методических исследований, касающихся анализа возможностей применения для прогнозирования теплопроводящих свойств нанокомпозитов ряда методов теории эффективной среды и теории перколяции. Наведено результати експериментальних досліджень теплофізичних, структурних і механічних характеристик низькотеплопровідних полімерних нанокомпозитів, орієнтованих на виготовлення трубопроводів різних систем, захисних теплоізоляційних шарів енергетичного обладнання тощо. Представлено дані методичних досліджень щодо аналізу можливостей застосування для прогнозування теплопровідних властивостей нанокомпозитів ряду методів теорії ефективного середовища і теорії перколяції. The results of experimental studies of thermal, structural and mechanical characteristics of the low thermal conductivity of polymer nanocomposites, focused on the production of pipes of different systems, protective thermal insulation layers of power equipment and so on are presented. The data of methodological studies on the analysis of possible of applications to predict the heat conducting properties of the nanocomposites a number of methods of effective medium theory, and percolation theory are given. 2015 Article Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования / А.А. Долинский, Н.М. Фиалко, Р.В. Динжос, Р.А. Навродская // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 6. — С. 5-15. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0204-3602 DOI https://doi.org/10.31472/ihe.6.2015.01 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142227 538.9:536.6 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Долинский, А.А., Фиалко, Н.М. Динжос, Р.В. Навродская, Р.А. Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования Промышленная теплотехника
description	Приведены результаты экспериментальных исследований теплофизических, структурных и механических характеристик низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов, ориентированных на изготовление трубопроводов различных систем, защитных теплоизоляционных слоев энергетического оборудования и пр. Представлены данные методических исследований, касающихся анализа возможностей применения для прогнозирования теплопроводящих свойств нанокомпозитов ряда методов теории эффективной среды и теории перколяции.
format	Article
author	Долинский, А.А., Фиалко, Н.М. Динжос, Р.В. Навродская, Р.А.
author_facet	Долинский, А.А., Фиалко, Н.М. Динжос, Р.В. Навродская, Р.А.
author_sort	Долинский, А.А.,
title	Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования
title_short	Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования
title_full	Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования
title_fullStr	Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования
title_full_unstemmed	Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования
title_sort	теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142227
citation_txt	Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования / А.А. Долинский, Н.М. Фиалко, Р.В. Динжос, Р.А. Навродская // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 6. — С. 5-15. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT dolinskijaa teplofizičeskiesvojstvanizkoteploprovodnyhpolimernyhnanokompozitovdlâélementovénergetičeskogooborudovaniâ AT fialkonm teplofizičeskiesvojstvanizkoteploprovodnyhpolimernyhnanokompozitovdlâélementovénergetičeskogooborudovaniâ AT dinžosrv teplofizičeskiesvojstvanizkoteploprovodnyhpolimernyhnanokompozitovdlâélementovénergetičeskogooborudovaniâ AT navrodskaâra teplofizičeskiesvojstvanizkoteploprovodnyhpolimernyhnanokompozitovdlâélementovénergetičeskogooborudovaniâ
first_indexed	2025-07-10T14:29:23Z
last_indexed	2025-07-10T14:29:23Z
_version_	1837270583710056448
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №6 5 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ УДК 538.9:536.6 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОТЕПЛОПРОВОДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Долинський А.А.1, академик НАН Украины Фиалко Н.М.1, д.т.н., Динжос Р.В.2, канд. физ.-мат. наук, Навродская Р.А.1, канд. техн. наук 1Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2 а, Киев, 03680, Украина 2Николаевский национальный университет им. В.А.Сухомлинского, ул. Никольская, 24, Николаев, 54030, Украина Наведено результати експе- риментальних досліджень тепло- фізичних, структурних і механічних характеристик низько- теплопровідних полімерних нано- композитів, орієнтованих на ви- готовлення трубопроводів різних систем, захисних теплоізоляційних шарів енергетичного обладнан- ня тощо. Представлено дані мето- дичних досліджень щодо аналізу можливостей застосування для прогнозування теплопровідних властивостей нанокомпозитів ряду методів теорії ефективного середо- вища і теорії перколяції. Библ. 13, рис. 4, табл. 3. Ключевые слова: низкотеплопроводные полимерные нанокомпозиты, теоретические модели тепло- проводности, теплофизические свойства. Введение Среди перспективных областей применения полимерных нанокомпозиционных материалов особо выделяется использование их низкотепло- Приведены результаты экс- периментальных исследований теплофизических, структурных и механических характеристик низ- котеплопроводных полимерных нанокомпозитов, ориентированных на изготовление трубопроводов раз- личных систем, защитных теплоизо- ляционных слоев энергетического оборудования и пр. Представлены данные методических исследова- ний, касающихся анализа возмож- ностей применения для прогнози- рования теплопроводящих свойств нанокомпозитов ряда методов тео- рии эффективной среды и теории перколяции. The results of experimental studies of thermal, structural and mechanical characteristics of the low thermal conductivity of polymer nanocomposites, focused on the production of pipes of different systems, protective thermal insulation layers of power equipment and so on are presented. The data of methodological studies on the analysis of possible of applications to predict the heat conducting properties of the nanocomposites a number of methods of effective medium theory, and percolation theory are given. C – фактор влияния композита; ср – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·К); k – показатель степени в уравнениях Киркпатри- ка и Маклахлана; р – массовая доля наполнителя, 0<p<1; рс – значение р, отвечающее порогу перколяции; Т – температура, К; q – показатель степени в уравнениях Киркпатри- ка и Маклахлана; Х – степень кристалличности композита, %; λ1, λ2 – коэффициент теплопроводности материа- ла матрицы и наполнителя, Вт/(м К); λʹ, λʺ – коэффициент теплопроводности комозита в непосредственной близости слева рс- и справа рс+ от порога перколяции; λэф, λ – коэффициент теплопроводности компози- та, Вт/(м К); χk 2, χq 2 – значение дисперсии для уравнений Кирк- патрика и Маклахлана; ω – массовая доля наполнителя, %; ωс – значение ω, отвечающее порогу перколяции; УНТ – углеродные нанотрубки. проводных модификаций для создания трубопро- водов различных систем, защитной теплоизоля- ции энергетического оборудования и т.д. [1-5]. В ряде практически важных ситуаций к низ- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №66 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ котеплопроводным композиционным материалам для элементов энергетических систем наряду с требованиями в отношении их теплофизических характеристик предъявляются также требования в части механических свойств. Последнее связа- но с необходимостью обеспечения конструкци- онной прочности данных элементов. Ввиду этого актуальной является задача разработки низкоте- плопроводных полимерных нанокомпозитов с улучшенными механическими свойствами для изготовления деталей энергетических систем и исследования их теплофизических, структурных и механических характеристик. Что касается исследований теплофизических свойств получаемых композиционных материа- лов, то здесь представляет интерес рассмотрение различных теоретических методов их прогнози- рования в широком диапазоне изменения состав- ляющих компонентов. Так, при определении ко- эффициентов теплопроводности нанокомпозитов возможно использование целого ряда методов из класса методов теории эффективной среды и те- ории перколяции [6-10]. Это обуславливает акту- альность выбора из существующих методов тех из них, которые дают наиболее адекватное опи- сание поведения теплопроводящих свойств поли- мерных композитов. Постановка задачи и методика проведения исследований. Данная статья посвящена исследованию теп- лофизических свойств, структурных характери- стик и модуля Юнга низкотеплопроводных поли- мерных нанокомпозитов на основе полиэтилена и полипропилена, которые ориентированы на изготовление трубопроводов различного назна- чения (воздухо-, водо-, масло-, топливопроводов и пр.). В методическом плане в задачу исследова- ния входило проведение сравнительного анализа теоретических моделей теплопроводности. В ходе исследований использовался полиэ- тилен высокого давления и низкой плотности. В качестве наполнителей применялись УНТ и наночастицы пирогенного аэросила SiO2. Опи- сание основных характеристик используемых УНТ дано в [11]. Наночастицы аэросила кремния (Aerosil 1380, Degussa Co, Германия) имели диа- метр 40 нм. Массовая доля наполнителей в по- лимерных нанокомпозитах изменялась от 0,1 до 3 %. В качестве метода получения нанокомпози- тов применялся метод, базирующийся на смеше- нии компонентов в расплаве полимера с исполь- зованием экструдера при дальнейшем придании композиту необходимой формы способом горя- чего прессования [12]. Экспериментальные мето- дики определения теплофизических свойств раз- рабатываемых композитов приведены в [11]. Для определения модуля Юнга использовался метод деформационной калориметрии. Теоретическое описание концентрационно- го поведения коэффициентов теплопроводности рассматриваемых полимерных нанокомпозитов основывалось на использовании двух классов моделей теплопроводности. Первому из них от- вечали модели теории эффективной среды, вто- рому – модели теории перколяции. В работе рассмотрению подлежали две моде- ли теории эффективной среды – модель Максвел- ла и модифицированная модель Бруггемана [6-8]. Согласно модели Максвелла эффективная тепло- проводность λэф двухкомпонентной системы мо- жет быть определена по зависимости             2112 2112 1 2 22   p p эф . (1) Данная модель базируется на представлении о хаотическом внедрении в изотропную среду сферических частиц, располагающихся на доста- точно большом расстоянии друг от друга так, что их взаимодействием можно пренебречь. Модифицированная модель Бруггемана от- носится к более поздним разработкам [7]. В ней принимается во внимание целый ряд факторов, таких как компактная упаковка и взаимодействие между частицами, форма частиц, их дисперс- ность, межфазное термическое сопротивление и пр. В соответствии с данной моделью выражение для нахождения эффективной теплопроводности гетерогенной системы имеет вид 3 1 1 12 21            эф эф cp     . (2) Приведенные модели, как и прочие модели теории эффективной среды, основываются на ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №6 7 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ положении о «парциальных» вкладах матрицы и наполнителя. В них не учитываются процессы агрегации частиц наполнителя, в результате ко- торых образовываются теплопроводящие кана- лы, обусловливающие эффекты скачкообразного повышения теплопроводности композита. В мо- делях теории эффективной среды не принима- ются также во внимание такие явления, как из- менение теплофизических свойств полимера на границе «полимер-частица», разрыхление поли- меров с образованием пор и пр. [8]. От указанных недостатков свободны модели теории перколяции. Согласно перколяционной модели Киркпатрика эффективная теплопрово- дность полимерного композита может быть пред- ставлена зависимостью[9]            . , c k c c q c эф ppприpp ppприpp   (3) В соответствии с перколяционной моделью Маклахлана выражение, описывающее зависи- мость коэффициента теплопроводности компо- зита от содержания наполнителя, имеет вид [10]                         . 1 , c k c c c q c c ppпри p pp ppпри pp p    (4) В рамках данной работы ставилась задача со- поставления приведенных моделей теплопрово- дности для рассматриваемых композиционных материалов. Результаты исследований и их анализ а) Теоретические модели теплопроводности полимерных композитов. Остановимся вначале на рассмотрении ре- зультатов исследований, посвященных анали- зу возможностей использования различных теоретических моделей теплопроводности ге- терогенных систем. На рис. 1, 2 представлены концентрационные зависимости коэффициентов теплопроводности получаемых полимерных на- нокомпозитов по данным экспериментов и раз- личных теоретических моделей. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 a) ,% , В т/ (м К ) 1 2 3 4 5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 б) ,% , В т/ (м К ) Рис. 1. Концентрационная зависимость коэффициента теплопроводности полимерных нанокомпозитов на основе полиэтилена, наполненного УНТ (а) и нанодисперсными частицами аэросила (б); 1 – результаты эксперимента; 2-5 – данные теоретических моделей: 2, 3 – модель Максвелла и модифицированная модель Бруггемана из класса моделей эффективной среды; 4, 5 – модель Киркпатрика и Маклахлана из класса перколяционных моделей. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №68 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Как следует из приведенных данных, модели теории эффективной среды – модель Максвелла и модифицированная модель Бруггемана – адек- ватно описывают концентрационное поведение коэффициента теплопроводности только в опре- деленных диапазонах содержания наполнителя. Так, модель Максвелла удовлетворительно со- гласуется с результатами экспериментальных исследований лишь при весьма малых массовых долях наполнителей, не превышающих значение порога перколяции ωс. В области же ω > ωс дан- ная модель, как очевидно, неприменима. Здесь величины λ, полученные в эксперименте, могут превышать значения, отвечающие модели Мак- свелла, более чем на 45 %. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 б) ,% , В т/ (м К ) Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности полимерных нанокомпозитов на основе полипропилена, наполненного УНТ (а) и нанодисперсными частицами аэросила (б); 1 – результаты эксперимента; 2 - 5 – данные теоретических моделей: 2, 3 – модель Максвелла и модифицированная модель Бруггемана из класса моделей эффектив- ной среды; 4, 5 – модель Киркпатрика и Маклахлана из класса перколяционных моделей. Что касается модифицированной модели Бруггемана, то она, напротив, не может быть использована при массовых долях наполнителя меньше перколяционного порога, однако при- менима для значений ω, превышающих данный порог. При этом для разрабатываемых компо- зитов максимальные расхождения эксперимен- тальных и расчетных величин λ в области ω > ωс находится в пределах 3...8 %. Таким образом, рассмотренные модели тео- рии эффективной среды применительно к анали- зируемой ситуации могут иметь лишь ограничен- ное использование. Как показали выполненные исследования, модели теории перколяции – модель Киркпатрика и модель Маклахлана – дают адекватное описание концентрационного поведения композитов и от- ражают эффект резкого изменения теплопровод- ности по достижении перколяционного порога. Причем отклонения результатов экспериментов и данных указанных моделей являются весьма незначительными. В табл. 1 представлены найденные пара- метры уравнений, отвечающие двум рассматри- ваемым моделям. Как видно, при использовании модели Маклахлана обеспечиваются несколько меньшие расхождения экспериментальных и рас- четных данных (сопоставьте значения дисперсии для уравнений (3) и (4) в табл. 1). При этом для указанной модели лучшее согласование сопос- тавляемых результатов имеет место в случае ком- позитов на основе полиэтилена по сравнению с композитами на основе полипропилена. Для обеих полимерных матриц меньшие отклонения результатов расчетов от экспериментальных дан- ных наблюдаются при наполнении полимеров УНТ, чем при их наполнении аэросилом. Резюмируя выполненный анализ перколяци- 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 a) ,% , В т/ (м К ) 1 2 3 4 5 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №6 9 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ онных моделей, необходимо отметить, что они характеризуются высокой точностью описания зависимости коэффициентов теплопроводности нанокомпозитов от массовой доли наполнителя. Это связано с тем, что в данных моделях по срав- нению с моделями теории эффективной среды учитывается целый ряд дополнительных факто- ров, таких как формирование проводящих перко- ляционных структур, изменение характеристик полимера вблизи частиц наполнителя, образова- ние системы пор и т.д. Важным является также то обстоятельство, что рассмотренные перколяци- онные модели ввиду их высокой точности могут успешно использоваться для прогнозирования свойств полимерных композитов в широком диа- пазоне изменения их состава. Таблица 1. Параметры уравнений (3), (4) для различных полимерных матриц и нанодисперсных наполнителей Модель Киркпатрика (уравнение (3)) Модель Маклахлана (уравнение (4)) k χk 2,10-5 q χq 2,10-5 pc×100, % k χk 2,10-5 q χq 2,10-5 pc×100, % Матрица – полиэтилен, наполнитель – УНТ 0,013 0,9 0,042 6,0 0,79 0,02 0,6 0,047 0,8 0,78 Матрица – полиэтилен, наполнитель – аэросил 0,01 21,0 0,018 16,0 0,99 0,012 6,0 0,022 5,0 0,96 Матрица – полипропилен, наполнитель – УНТ 0,02 3,0 0,062 90,0 0,58 0,021 2,0 0,066 4,0 0,57 Матрица – полипропилен, наполнитель – аэросил 0,013 10,0 0,049 30,0 0,84 0,014 8,0 0,053 6,0 0,81 б) Теплофизические, структурные и механи- ческие свойства низкотеплопроводных полимер- ных нанокомпозитов. Как уже отмечалось, низкотеплопроводные полимерные композиты в настоящее время заво- евывают все большую популярность в качестве материалов для создания трубопроводов различ- ного назначения, защитных теплоизоляционных слоев энергетического оборудования и т.д. Что касается трубопроводов, то к полимерным компо- зитам для их изготовления предъявляется целый ряд требований, основные из которых касаются, во-первых, величины коэффициента теплопро- водности и диапазона рабочих температур мате- риала, и, во-вторых, значения модуля упругости при растяжении (модуля Юнга). При этом в зави- симости от назначения и условий эксплуатации трубопроводов данные требования оказываются существенно различными. Так, для трубопрово- дов, транспортирующих в безнапорном режиме сточные воды при максимальной температуре постоянных стоков 70 оС, модуль Юнга композита должен быть не меньше 1,15 ГПа, для напорных газовых и водопроводных труб – 0,2 ГПа [13]. Относительно же значений коэффициента тепло- проводности, то здесь требования определяются, главным образом, необходимостью обеспечения при эксплуатации тех или иных трубопроводов заданного уровня теплопотерь. Ниже на примере нанокомпозитов на основе полиэтилена и полипропилена, предназначенных для создания различных трубопроводов, показа- на возможность существенного повышения их модуля Юнга по сравнению с ненаполненными полимерами при относительно небольшом по- вышении коэффициентов теплопроводности. На рис. 3 по результатам проведенных экспери- ментальных исследований представлены соот- ветствующие концентрационные зависимости. Как видно, характер изменения величины λ и Е в целом аналогичен. То есть имеет место тенден- ция к увеличению значений λ и Е при возраста- нии массовой доли наполнителя. Что же касается эффектов скачкообразного изменения этих вели- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №610 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ чин, то они связаны с образованием из частиц на- полнителя проводящих перколяционных струк- тур. Обращает на себя внимание тот факт, что указанные скачкообразные изменения моду- ля Юнга наблюдаются при несколько меньших значениях массовой доли наполнителя, чем соответствующие изменения коэффициента теплопроводности. (например, для полиэтилена, наполненного УНТ, резкому изменению вели- чины λ отвечает значение ω = 0,78 %, а модуля Юнга – ω = 0,60 %). Это свидетельствует о боль- шей чувствительности механических характери- стик к формированию перколяционных класте- ров и сеток. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 б) E ,Г П а ,% Рис. 3. Концентрационные зависимости коэффициента теплопроводности (а) и модуля Юнга (б) композитов на основе полиэтилена (1, 2) и полипропилена (3, 4), наполненных УНТ (2, 4) и наночастицами аэросила (1, 3). Относительно значений массовой концентра- ции, соответствующих скачкообразному измене- нию величин λ и Е, следует также отметить, что они оказываются меньшими при наполнении по- лимеров УНТ, чем при их наполнении аэросилом. К тому же эти значения при использовании обоих рассматриваемых наполнителей сдвигаются в об- ласть больших величин ω для композитов на ос- нове полипропилена в сравнении с композитами на основе полиэтилена. Что касается концентрационной зависимости модуля Юнга, то здесь в первую очередь необхо- димо указать на то обстоятельство, что при отно- сительно небольшом содержании наполнителей (до 2 %) оказывается возможным существенное повышение величины Е. Так, для полиэтилена, наполненного УНТ, значение Е возрастает более чем в 6 раз при увеличении ω от 0 до 2 %. Как видно из рис. 3, б, для композитов на основе полипропилена величины Е выше, чем для композитов на основе полиэтилена во всем рассматриваемом диапазоне изменения ω. Это, как очевидно, связано с более высоким зна- чением модуля Юнга для ненаполненного по- липропилена по сравнению с полиэтиленом. А именно, для полипропилена это значение равно 0,665 ГПа, а для полиэтилена – только 0,106 ГПа. Согласно полученным данным модуль Юнга для композитов, наполненных УНТ, превы- шает соответствующие значения для композитов, наполненных аэросилом. Причем эти отличия в целом оказываются несколько большими для ком- позитов на основе полиэтилена. Например, при ω = 2 % расхождение значений Е, отвечающих УНТ и аэросилу, для полипропилена составляют 0,150 ГПа, а для полиэтилена – 0,253 ГПа. Как показали полученные данные, в рассма- триваемых условиях наполнение полимеров не приводит к значительному росту коэффициен- тов теплопроводности (см. рис. 3, а). При этом большее повышение λ наблюдается при прочих равных условиях для композитов на основе по- лиэтилена. Это обусловлено более высокими зна- чениями λ для ненаполненного полиэтилена по ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №6 11 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ сравнению с полипропиленом. Что же касается нанодисперсных наполнителей, то применение углеродных нанотрубок приводит к существен- но большему возрастанию λ, чем применение аэросила. В табл. 2, 3 представлены результаты экс- периментальных исследований по определе- нию температурной зависимости удельной массовой теплоемкости для получаемых по- лимерных композитов. Согласно приведенным данным температура фазового перехода для этих композиционных материалов практически не зависитот массовой доли наполнителя. То есть диапазон их рабочих температур отвечает соответствующему диапазону для полимерных матриц. Таблица 2. Температурная зависимость удельной массовой теплоемкости ср (кДж/(кг·К)) полимер- ного композита на основе полиэтилена, наполненного УНТ и нанодисперсными частицами аэросила Напол- нитель Содержание наполнителя, % Т, К 320 380 385 390 395 400 405 410 415 420 УНТ 0,3 1,78 2,76 3,16 3,62 4,98 6,96 12,9 15,3 5,01 2,51 2 1,72 2,67 3,04 3,48 4,79 6,71 12,4 14,8 4,83 2,42 3 1,73 2,65 3,03 3,46 4,76 6,64 12,2 14,6 4,79 2,41 Аэросил 0,3 1,77 2,76 3,17 3,63 5,01 7,01 12,9 15,5 5,04 2,52 2 1,78 2,74 3,14 3,57 4,90 6,82 12,6 14,9 4,94 2,50 3 1,79 2,73 3,11 3,64 4,85 6,74 12,3 14,7 4,88 2,49 Таблица 3. Температурная зависимость удельной массовой теплоемкости ср (кДж/(кг·К)) полимерно- го композита на основе полипропилена, наполненного УНТ и нанодисперсными частицами аэросила Напол- нитель Содержание наполнителя, % Т, К 300 360 420 425 430 435 440 442 445 450 УНТ 0,3 1,75 2,27 3,56 4,10 4,88 5,81 6,71 6,79 6,16 3,11 2 1,82 2,26 3,36 3,82 4,49 5,29 6,05 6,11 5,58 2,97 3 1,88 2,28 3,29 3,72 4,33 5,05 5,75 5,81 5,32 2,93 Аэросил 0,3 1,75 2,28 3,62 4,17 4,98 5,94 6,87 6,95 6,31 3,15 2 1,82 2,31 3,55 4,07 4,82 5,69 6,57 6,64 6,05 3,11 3 1,91 2,38 3,56 4,06 4,77 5,61 6,45 6,52 5,95 3,14 Полученные экспериментальные зависи- мости удельной массовой теплоемкости ком- позитов от температуры послужили также осно- вой для определения одной из важнейших струк- турных характеристик полимерных композитов – степени их кристалличности [12]. Как видно из данных, приведенных на рис. 4, понижение степени кристалличности при увеличении мас- совой доли наполнителя оказывается несколько более значительным для композитов на осно- ве полипропилена. Например, это понижение в рассматриваемом диапазоне изменения ω в слу- чае наполнения полимеров УНТ составляет для матрицы из полиэтилена 7,6 %, а для матрицы из полипропилена – 11,8 %. При этом для обе- их матриц меньшее падение степени кристал- личности Х наблюдается при их наполнении аэросилом. Последнее, как очевидно, связано с меньшей эффективностью образования перко- ляционных структур наночастицами аэросила в сравнении с УНТ. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №612 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 39 42 45 48 51 б) X, % , % Рис. 4. Зависимость степени кристалличности полиэтилена (а) и полипропилена (б) от массовой доли наполнителя для композитов, содержащих УНТ (1) и аэросил (2). Выводы 1. На основе экспериментальных исследова- ний установлена возможность получения низко- теплопроводных полимерных нанокомпозитов с улучшенными механическими характеристика- ми для трубопроводов различного назначения. В частности, показано, что для нанокомпозитов на основе полиэтилена или полипропилена, на- полненных УНТ либо нанодисперсными части- цами аэросила, при массовой доле последних до 2 % имеет место: а) относительно незначительное повыше- ние коэффициентов теплопроводности (до λ = = 0,54 Вт/(м К)); б) существенное возрастание модуля упруго- сти при растяжении (до Е = 1,33 ГПа). 2. Для разрабатываемых полимерных нано- композитов получены температурные зависи- мости их удельной массовой теплоемкости и на этой основе проведен анализ закономерностей изменения структурных характеристик данных материалов. 3. Выполнен комплекс методических исследо- ваний по анализу правомерности использования для прогнозирования теплопроводящих свойств рассматриваемых композитов различных моде- лей теплопроводности. Рассмотрены возможно- сти применения ряда моделей теории эффектив- ной среды и теории перколяции. Показано, что: а) модели теории эффективной среды – мо- дель Максвелла и модифицированная модель Бруггемана – адекватно описывают концентраци- онное поведение коэффициента теплопроводно- сти только в определенных диапазонах содержа- ния наполнителя; б) модели теории перколяции – модель Кирк- патрика и модель Маклахлана – обеспечивают адекватное прогнозирование теплопроводящих свойств композитов во всем диапазоне измене- ния содержания наполнителя; при этом модель Маклахлана является несколько более предпо- чтительной. ЛИТЕРАТУРА 1. Hachour K. Experiments and modeling of high-crystalline polyethylene yielding under different stress states / K. Hachour, F. Zaпri, M. Naпt-Abdelaziz, J.M. Gloaguen, M. Aberkane, J.M. Lefebvre. – International Journal of Plasticity. – 2014. – Vol. 54. – P. 1-18. 2. Naganathan S. Nanotechnology in Civil Engineering - A Review / Sivakumar Naganathan, Charan Singh Jasbir Singh, Yim Wil Shen, Peng Eng Kiat, Sivadass Thiruchelvam. – Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 935. – P. 151-154. 3. Benyahia F. A Comparison Study of Bonded Composite Repairs of through-Wall Cracks in Pipes Subjected to Traction, Bending Moment and Internal Pressure / F. Benyahia, A. Albedah, B. Bachir Bouiadjra, M. Belhouari. – Advanced Materials Research. – 2015. – Vol. 1105. – P. 41-45. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №6 13 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 4. Suner S. Ultra high molecular weight polyethylene/graphene oxide nanocomposites: Thermal, mechanical and wettability characterisation / S. Suner, R. Joffe, J.L.Tipper, N. Emami. – Composites Part B. – 2015. – Vol. 78. – P. 185-191. 5. Damodaran S. Monitoring the effect of chlorine on the ageing of polypropylene pipes by infrared microscopy / Subin Damodaran, Tobias Schuster, Karsten Rode, Abhishek Sanoria, Robert Brüll, Mirko Wenzel, Martin Bastian. – Polymer Degradation and Stability. – 2015. – Vol. 66 – P. 7-19. 6. Agari Y. Thermal Conductivity of a Polymer Composite Filled with Mixtures of Particles / Y. Agari, M. Tanaka, S. Nagai. – Journal of Applied Polymer Science. – 1987. – Vol. 34. – P. 1429-1437. 7. Lin C. Modeling and analysis of synergistic effect in thermal conductivity enhancement of polymer composites with hybrid filler / Lin Chen, Ying-Ying Sun, Jun Lin, Xiao-Ze Du, Gao-Sheng Wei, Shao-Jian He, Sergei Nazarenko. – International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2015. – Vol. 81. – P. 457-464. 8. Shen M. Thermal conductivity model of filled polymer composites / Ming-xia Shen, Yin-xin Cui, Jing He, and Yao-ming Zhang. – International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2011. – Vol. 18, №5. – P. 623-631. 9. Kirkpatrick S. Percolation and Conduction / Scott Kirkpatrick. – Reviews of modern physics. – 1973. – Vol. 45, №4. – P. 574-585. 10. McLachlan D.S. The correct modelling of the second order terms of the complex ACconductivity results for continuum percolation media, using a single phenomenological equation / D.S. McLachlan, C. Chiteme, W.D. Heiss, Junjie Wu. – Physica B. – 2003. – Vol. 338. – P. 256-260. 11. Долинский А. А. Теплофизические свой- ства полимерных микро- и нанокомпозитов на основе поликарбоната / А. А. Долинский, Н. М. Фиалко, Р. В. Динжос, Р. А. Навродская // Про- мышленная теплотехника.- 2015. – №2. – С. 12- 19. 12. Долинский А. А. Влияние методов полу- чения полимерных микро- и нанокомпозитов на их теплофизические свойства / А. А. Долинский, Н. М. Фиалко, Р. В. Динжос, Р. А. Навродская // Промышленная теплотехника.- 2015. – № 4. – С. 5-13. 13. Кацевман М. Применение концентратов минеральных наполнителей в производстве по- лимерных труб / Михаил Кацевман, Сергей Ки- селев, Игорь Айзинсов. – Полимерные трубы. – 2011. – Vol. 31. – С. 31-37. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №614 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF LOW THERMAL CONDUCTIVITY OF POLYMER NANOCOMPOSITES FOR ELEMENTS OF THE POWER EQUIPMENT Dolinskiy A.A.1, Fialko N.M.1, Dinzhos R.V.2, Navrodskaya R.A.1 1Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, 2а, Zhelyabova str., Kyiv, 03680, Ukraine 2Nikolaev National University. named after V.A. Sukhomlinskiy, 24, Nikolska str., Mykolaev, 54030, Ukraine The data of experimental studies of thermo physical, structural and mechanical characteristics of the low heat conductivity of polymer nanocomposites, oriented on the production of different systems pipes, protective heat-insulated layers of power equipment and so on are given. The results of a comparison of these characteristics for nanocomposites based on polyethylene and polypropylene filled with CNTs or nanoparticles aerosil are considered. The data of methodological studies relating to the analysis of applications possible of a number of methods of the effective medium theory and the percolation theory to predict the heat conducting properties of the nanocomposites are presented. The materials that define the area of adequate prediction of the heat conductivity values of composites based on concerned theoretical methods. Key words: low heat conductivity of polymer nanocomposites, theoretical model of the heat conductivity, thermo physical properties. References 13, tabl. 3, fig. 4. 1. Hachour K. Experiments and modeling of high-crystalline polyethylene yielding under different stress states / K. Hachour, F. Zaпri, M. Naпt-Abdelaziz, J.M. Gloaguen, M. Aberkane, J.M. Lefebvre. – International Journal of Plasticity. – 2014. – Vol. 54. – P. 1-18. 2. Naganathan S. Nanotechnology in Civil Engineering - A Review / Sivakumar Naganathan, Charan Singh Jasbir Singh, Yim Wil Shen, Peng Eng Kiat, Sivadass Thiruchelvam. – Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 935. – P. 151-154. 3. Benyahia F. A Comparison Study of Bonded Composite Repairs of through-Wall Cracks in Pipes Subjected to Traction, Bending Moment and Internal Pressure / F. Benyahia, A. Albedah, B. Bachir Bouiadjra, M. Belhouari. – Advanced Materials Research. – 2015. – Vol. 1105. – P. 41-45. 4. Suner S. Ultra high molecular weight polyethylene/graphene oxide nanocomposites: Thermal, mechanical and wettability characterisation / S. Suner, R. Joffe, J.L.Tipper, N. Emami. – Composites Part B. – 2015. – Vol. 78. – P. 185-191. 5. Damodaran S. Monitoring the effect of chlorine on the ageing of polypropylene pipes by infrared microscopy / Subin Damodaran, Tobias Schuster, Karsten Rode, Abhishek Sanoria, Robert Brüll, Mirko Wenzel, Martin Bastian. – Polymer Degradation and Stability. – 2015. – Vol. 66 – P. 7-19. 6. Agari Y. Thermal Conductivity of a Polymer Composite Filled with Mixtures of Particles / Y. Agari, M. Tanaka, S. Nagai. – Journal of Applied Polymer Science. – 1987. – Vol. 34. – P. 1429-1437. 7. Lin C. Modeling and analysis of synergistic effect in thermal conductivity enhancement of polymer composites with hybrid filler / Lin Chen, Ying-Ying Sun, Jun Lin, Xiao-Ze Du, Gao-Sheng Wei, Shao-Jian He, Sergei Nazarenko. – International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2015. – Vol. 81. – P. 457-464. 8. Shen M. Thermal conductivity model of filled polymer composites / Ming-xia Shen, Yin-xin Cui, Jing He, and Yao-ming Zhang. – International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2011. – Vol. 18, №5. – P. 623-631. 9. Kirkpatrick S. Percolation and Conduction / Scott Kirkpatrick. – Reviews of modern physics. – 1973. – Vol. 45, №4. – P. 574-585. 10. McLachlan D.S. The correct modelling of the second order terms of the complex ACconductivity results for continuum percolation media, using a single phenomenological equation / D.S. McLachlan*, C. Chiteme, W.D. Heiss, Junjie Wu. – Physica B. – 2003. – Vol. 338. – P. 256-260. 11. Dolinskiy A.A. Thermophysical properties ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №6 15 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ of polymer micro- and nanocomposites based on polycarbonate / A.A. Dolinskiy, N.M. Fialko, R.V. Dinzhos, R.A. Navrodskaya // Industrial heat engineering. – 2015. – №2. – P.12–19. (Rus) 12. Dolinskiy A.A. Influence of methods of preparation of polymeric micro- and nanocomposites on their thermophysical properties / A.A. Dolinskiy, N.M. Fialko, R.V.Dinzhos, R.A. Navrodskaya // Industrial heat engineering. – 2015 . – № 4. – P. 5-13. (Rus) 13. Katsevman M. Application of concentrates of mineral fillers in the production of plastic pipes / M. Katsevman, S. Kiselyov, I. Ayzinsov. – Polymeric pipes. – 2011. - Vol. 31. – P. 31-37. Получено 02.11.2015 Received 02.11.2015

Теплофизические свойства низкотеплопроводных полимерных нанокомпозитов для элементов энергетического оборудования

Репозитарії

Схожі ресурси