Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов
Приведены результаты исследований по разработке типоряда высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов на основе частично кристаллических и аморф ных полимеров для изготовления теплообменных поверхностей. Представлены данные экспериментов по определению таких характеристик композиционных м...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142196 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов / А.А. Долинский, Н.М. Фиалко, Р.В. Динжос, Р.А. Навродская // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 5. — С. 5-15. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859989071462400000 |
|---|---|
| author | Долинский, А.А. Фиалко, Н.М. Фиалко, Н.М. Динжос, Р.В. Навродская, Р.А. |
| author_facet | Долинский, А.А. Фиалко, Н.М. Фиалко, Н.М. Динжос, Р.В. Навродская, Р.А. |
| citation_txt | Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов / А.А. Долинский, Н.М. Фиалко, Р.В. Динжос, Р.А. Навродская // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 5. — С. 5-15. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Приведены результаты исследований по разработке типоряда высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов на основе частично кристаллических и аморф ных полимеров для изготовления теплообменных поверхностей. Представлены данные экспериментов по определению таких характеристик композиционных материалов этого типоряда, как коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и максимальная температура эксплуатации.
Наведено результати досліджень з розробки типоряду високотеплопровідних полімерних мікро- і нанокомпозитів на основі частково кристалічних та аморфних полімерів для виготовлення теплообмінних поверхонь. Представлено дані експериментів з визначення таких характеристик композиційних матеріалів цього типоряду, як коефіцієнт теплопровідності, питома теплоємність та максимальна температура експлуатації.
The results of research to develop of the type series of the high-heat transfer polymer micro- and nanocomposites based on partially crystalline and amorphous polymers for the manufacture of heat exchange surfaces are presented. The data of experiments to determine such characteristics of the composite materials of this series as thermal conductivity, specific heat and maximum operating temperature are given.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:30:57Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №5 5
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 538.9:536.6
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОТЕПЛОПРОВОДНЫХ
ПОЛИМЕРНЫХ МИКРО- И НАНОКОМПОЗИТОВ
Долинский А.А.1, академик НАН Украины, Фиалко Н.М.1, член-корреспондент НАН Украины,
Динжос Р.В.2, канд. физ.-мат. наук, Навродская Р.А.1, канд. техн. наук
1 Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2 а, Киев, 03680, Украина
2 Николаевский национальный университет им. В.А.Сухомлинского, ул. Никольская, 24, Николаев,
54030, Украина
Наведено результати дослід-
жень з розробки типоряду
високотеплопровідних полімерних
мікро- і нанокомпозитів на основі
частково кристалічних та аморф-
них полімерів для виготовлення
теплообмінних поверхонь. Пред-
ставлено дані експериментів з
визначення таких характери-
стик композиційних матеріалів
цього типоряду, як коефіцієнт
теплопровідності, питома тепло-
ємність та максимальна темпера-
тура експлуатації.
Библ. 10, рис. 3, табл. 4.
Ключевые слова: полимерные микро- и нанокомпозиты, теплообменные поверхности, тепло-
мфизические свойства.
ср – удельная массовая теплоемкость, кДж/(кг·К);
T – температура, К;
max
экT – максимальная температура эксплуатации
композита, К;
Тпл, Тст – температура плавления и стеклования, К;
λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);
χ – степень кристалличности, %;
Приведены результаты исследо-
ваний по разработке типоряда вы-
сокотеплопроводных полимерных
микро- и нанокомпозитов на основе
частично кристаллических и аморф-
ных полимеров для изготовления
теплообменных поверхностей.
Представлены данные эксперимен-
тов по определению таких характе-
ристик композиционных материалов
этого типоряда, как коэффициент
теплопроводности, удельная тепло-
емкость и максимальная температу-
ра эксплуатации.
The results of research to develop
of the type series of the high-heat trans-
fer polymer micro- and nanocompo-
sites based on partially crystalline
and amorphous polymers for the
manufacture of heat exchange surfaces
are presented. The data of experiments
to determine such characteristics of
the composite materials of this series
as thermal conductivity, specific heat
and maximum operating temperature
are given.
ω – массовая доля наполнителя, %;
Сокращения:
ПК – поликарбонат;
ПММА – полиметилметакрылат;
ПП – полипропилен;
ПЭ – полиэтилен;
УНТ – углеродные нанотрубки.
Введение
Перспективность использования полимерных
микро- и нанокомпозитов для создания тепло-
обменных поверхностей различного назначения
связана с комплексом их характеристик, таких
как необходимые теплофизические свойства,
высокая коррозионная стойкость, относительно
небольшой удельный вес и пр. [1-7].
При разработке данных композитов и анали-
зе их теплофизической эффективности в первую
очередь следует принимать во внимание предъ-
являемые к ним требования в части теплопрово-
дящих свойств и допустимых уровней рабочих
температур. И поскольку для теплообменников
разного типа отмеченные требования могут весь-
ма существенно отличаться, то актуальной яв-
ляется задача создания соответствующего ряда
модификаций полимерных композитов.
В настоящей статье рассматриваются основ-
ные аспекты разработки микро- и нанокомпози-
ционных полимерных материалов для изготовле-
ния теплообменных поверхностей с различным
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №56
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
диапазоном температур эксплуатации и разными
теплопроводящими свойствами материала их
стенок.
Постановка задачи и методика проведения
исследований
В работе ставилась задача разработки типо-
ряда полимерных микро- и нанокомпозитов с
коэффициентом теплопроводности, изменяю-
щимся от 20 до 60 Вт/(м·К), и максимальной тем-
пературой эксплуатации, находящейся в пределах
390…470 К. В табл. 1 приведены основные ха-
рактеристики и обозначения материалов данного
типоряда.
Возможности разработки указанного типо-
ряда материалов рассматривались с использо-
ванием в качестве полимерных матриц частич-
но кристаллических полимеров – полиэтилена,
полипропилена и поликарбоната, и аморфного
полимера – полиметилметакрылата. При этом в
качестве наполнителей применялись УНТ, а так-
же микрочастицы меди и алюминия. Содержа-
ние наполнителей варьировалось от 0,2 до 10 %.
Методы получения наполнителей – УНТ и ми-
крочастиц алюминия, а также их характеристи-
ки описаны в [8]. Что же касается микрочастиц
меди, то они готовились таким же образом, как
и частицы алюминия. Для получения композитов
использовался метод, основанный на смешива-
нии компонентов в расплаве полимера [9].
В задачу работы входило проведение экспе-
риментальных исследований величин коэффици-
ента теплопроводности и удельной теплоемкости
композитов, составленных из рассматриваемых
полимерных матриц и наполнителей в заданном
диапазоне изменений доли наполнителей. Мето-
Таблица 1. Основные характеристики и обозначения разрабатываемого типоряда полимерных
композиционных материалов для теплообменных поверхностей
λ, Вт/(м∙К)
Обозначения элементов типоряда материалов
Максимальная температура эксплуатации материала, К
390 425 470
20 А1 В1 С1
25 А2 В2 С2
30 А3 В3 С3
35 А4 В4 С4
40 А5 В5 С5
45 А6 В6 С6
50 А7 В7 С7
55 А8 В8 С8
60 А9 В9 С9
дики определения указанных теплофизических
свойств приведены в [8].
На основе полученных температурных за-
висимостей теплоемкости находились значения
температур плавления для композитов с частич-
но кристаллической матрицей и температур
стеклования для композитов с аморфной матри-
цей. Соответствующие максимальные темпера-
туры эксплуатации композитов определялись из
условия, согласно которому температура плав-
ления (стеклования) должна превышать данную
температуру примерно на 20 К [10].
Полученные экспериментальные данные о
зависимостях λ = f(ω) для исследуемых полимер-
ных композитов, а также данные о максимальных
значениях температур их эксплуатации служи-
ли основой для определения разрабатываемого
типоряда материалов. Далее из множества ком-
позитов, отвечающих некоторому элементу дан-
ного типоряда, выбирался один из соображений
наименьшей стоимости составляющих его ком-
понентов.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №5 7
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Результаты исследований и их анализ
Рассмотрим вначале данные эксперименталь-
ных исследований зависимости от температуры
удельной теплоемкости получаемых полимерных
композитов. На рис. 1 представлены характерные
результаты этих исследований для композитов
на основе частично кристаллических полиме-
ров (ПЭ, ПП, ПК), на рис. 2 – для композитов на
основе аморфного полимера ПММА. Приведен-
ные данные отвечают максимальному из рассмо-
тренных значений содержания микро- и нано-
наполнителей (ω = 10 %), при котором, как
показали выполненные эксперименты, имеют
место наибольшие отклонения величин тепло-
емкости от ее значений для ненаполненного по-
лимера.
300 320 340 360 380 400 420 440
0
4
8
12
16
a)
T, K
C
p,к
Дж
/(к
г K
)
1
2
3
4
300 320 340 360 380 400 420 440 460
2
4
6
8
T, K
C p
,кД
ж/
(к
г K
)
б)
300 350 400 450 500
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
T, K
C p
,кД
ж/
(к
г K
)
в)
Рис. 1. Зависимость от температуры
удельной теплоемкости композитов на
основе частично кристаллических полимеров
– полиэтилена (а), полипропилена (б), и
поликарбоната (в) при использовании
различных наполнителей для ω = 10 %:
1 – Al; 2 – Cu; 3 – УНТ;
обозначение 4 отвечает соответствующим
полимерным матрицам.
Как видно из рис. 1, теплоемкость компози-
тов на основе всех рассматриваемых полимер-
ных матриц в области ее наибольших значений,
отвечающих интервалу температур плавления,
оказывается несколько ниже, чем теплоемкость
соответствующих матриц. Указанное понижение
для композитов на основе одной и той же по-
лимерной матрицы является максимальным по
величине при использовании в качестве на-
полнителя углеродных нанотрубок, несколько
меньшим – микрочастиц меди, и наименьшим –
микрочастиц алюминия.
На основе полученных зависимостей cp = f(T)
могут быть определены значения степени крис-
талличности разработанных композитов по соот-
ношению, приведенному в [10]. Соответствую-
щие результаты расчетов представлены в табл. 2.
Согласно приведенным в таблице данным
степень кристалличности полимерных матриц
превышает ее значения для композиционных
материалов на основе этой матрицы. Причем
величина указанного превышения зависит от
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №58
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
типа используемого наполнителя. А именно,
наибольшее превышение отвечает углеродным
нанотрубкам, наименьшее – алюминию. Описан-
ная картина изменения степени кристалличности
композитов отвечает, как будет показано ниже,
определенным закономерностям поведения ко-
эффициентов теплопроводности данных матери-
алов.
Характер температурной зависимости cp
для композитов на основе аморфного полимера
существенно отличается от такового для частич-
но кристаллических полимеров (сопоставьте
данные на рис. 1 и 2). Как видно, теплоемкость
композитов на основе аморфных полимеров
повышается с ростом температуры, зависимость
же от температуры теплоемкости композитов на
основе частично кристаллических полимеров
носит экстремальный характер.
320 360 400 440 480 520
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
T, K
C
p,к
Дж
/(к
г K
)
1
2
3
4
Рис. 2. Зависимость от температуры удельной теплоемкости композитов на основе
полиметилметакрылата при использовании различных наполнителей для
ω = 10 %: 1 – Al; 2 – Cu; 3 – УНТ; обозначение 4 отвечает полимерной матрице.
Таблица 2. Значения степени кристалличности полимерных матриц χм, композитов χк и величины их
отличий Δχ (Δχ = χм – χк) при ω = 10 %
Тип
полимерной
матрицы
Степень
кристалличности
матрицы χм, %
Тип
наполнителя
Степень
кристалличности
композита χк, %
Отличие степени
кристалличности
Δχ, %
ПЭ 76,0
Al 71,3 4,7
Cu 69,4 6,6
УНТ 63,8 12,2
ПП 51,0
Al 46,8 4,2
Cu 43,8 7,2
УНТ 31,3 19,7
ПК 24,0
Al 23,7 0,3
Cu 23,4 0,6
УНТ 21,5 2,5
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №5 9
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Как видно из рис. 2, величина cp для напол-
ненных аморфных полимеров в диапазоне тем-
ператур от температуры окружающей среды до
температуры стеклования композита изменяется
практически линейно. При этом теплоемкость
ненаполненного полимера во всем указанном
диапазоне оказывается более низкой, чем компо-
зитов. Что же касается последних, то их тепло-
емкость по мере убывания ранжируется следую-
щим образом: композиты, наполненные углерод-
ными нанотрубками, микрочастицами меди и
алюминия. Следует отметить, что таким же об-
разом ранжируются и теплоемкости указанных
наполнителей.
Согласно полученным данным, при прибли-
жении к температуре стеклования теплоемкость
как наполненных, так и ненаполненных аморф-
ных полимеров весьма резко возрастает. Вели-
чина данного возрастания Δcp определяет, как
известно, энергию активации, необходимую для
перехода из стеклообразного состояния в вязко-
текучее. Как видно из рис. 2, значение Δcp явля-
ется наибольшим для полимеров, наполненных
УНТ, и существенно меньше для полимеров,
наполненных микрочастицами меди алюминия.
Так, Δcp = 0,30; 0,18 и 0,14 кДж/(кг·К) при напол-
нении полиметилметакрылата УНТ, Cu и Al.
Приведенные на рис. 1 и 2 зависимости
cp = f(T) позволяют определить максимальные
температуры их эксплуатации. Как свидетель-
ствуют полученные данные (рис. 1), температуры
плавления рассмотренных композитов на основе
частично кристаллических полимеров практиче-
ски совпадают с температурами плавления соот-
ветствующих ненаполненных полимеров. То есть
температуры плавления композитов на основе
полиэтилена равны 410 К, на основе полипро-
пилена 445 К и на основе поликарбоната 490 К.
Соответствующие максимальные температуры
эксплуатации, найденные из указанного выше
условия max
экT = Тпл – 20 К, составляют 390, 425,
470 К.
Несколько иная картина наблюдается для
разрабатываемых композитов на основе аморф-
ного полимера ПММА. Здесь температуры сте-
клования для композитов и ненаполненного по-
лимера не совпадают. При этом эти температуры
для композитов в зависимости от типа наполни-
теля могут быть как больше, так и меньше темпе-
ратуры стеклования ненаполненного полимера.
Так, для полимеров, наполненных УНТ, темпе-
ратура стеклования превышает ее значение для
полимерной матрицы. (При ω = 10 % темпера-
тура Тст для композитов с УНТ составляет 435 К,
а для матрицы – 424 К). Для полимеров, напол-
ненных Cu и Al, температура стеклования оказы-
вается ниже, чем для полимерной матрицы. (При
ω = 10 % величина Тст для этих композитов равня-
ется примерно 410 К). Если принять для рассма-
триваемого типа композитов в качестве темпе-
ратуры стеклования наименьшую из указанных
выше температур (Тст ≈ 410 К), то максималь-
ная температура эксплуатации составит 390 К.
То есть рассматриваемые композиты на основе
аморфного полимера ПММА могут быть отнесе-
ны к материалам типа А (см. табл. 1).
Перейдем далее к анализу результатов
экспериментальных исследований по опреде-
лению величины коэффициента теплопровод-
ности разрабатываемых полимерных компо-
зитов. Данные на рис. 3 иллюстрируют за-
висимости значений коэффициента тепло-
проводности композитов от массовой доли
рассматриваемых наполнителей ω для всех
используемых в рамках настоя-
щей работы полимерных матриц.
Согласно результатам проведенных исследова-
ний при увеличении содержания наполнителей
имеет место повышение значений λ. Причем
это повышение при некоторых содержаниях на-
полнителя, называемых порогами перколяции,
является достаточно резко выраженным. В рас-
сматриваемых условиях значения первого порога
перколяции, отвечающего образованию из части-
чек наполнителя непрерывного перколяционного
кластера, находится в диапазоне ω = 0,5…0,8 %,
а второго порога перколяции, соответствующего
формированию перколяционной сетки, – в диапа-
зоне ω = 1,8…2,5 %.
Как видно из рис. 3, разрабатываемые компо-
зиты характеризуются весьма широкими преде-
лами изменения коэффициента теплопроводнос-
ти. При этом максимально достижимые уровни
λ композитов являются существенно различны-
ми для разных наполнителей. Так, для ω = 10 %
величины коэффициентов теплопроводности
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №510
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
композитов могут достигать 60,9; 41,5 и
28,9 Вт/(м∙К) при использовании в качестве на-
полнителей УНТ, Cu и Al соответственно.
Что же касается полимерных матриц, то, как
свидетельствуют полученные данные, каждому
типу наполнителя отвечает определенная ма-
трица, при использовании которой коэффициент
теплопроводности композита для фиксирован-
ного значения содержания наполнителя явля-
ется наибольшим. Так, в диапазоне изменения
λ = 20…60 Вт/(м∙К) указанное наибольшее значе-
ние λ для УНТ имеет место при использовании в
качестве полимерной матрицы ПММА, а для Cu
и Al – матрицы из ПП. С другой стороны, каждо-
му типу наполнителя соответствует полимерная
матрица, в случае применения которой λ компози-
та оказывается наименьшим при заданной вели-
чине ω. Для рассматриваемого диапазона измене-
ния коэффициента теплопроводности композита
его наименьшее значение наблюдается для УНТ
при использовании матрицы из полиэтилена или
поликарбоната в зависимости от величины ω, для
Cu – матрицы из полиэтилена и для Al – матрицы
из поликарбоната.
Согласно результатам выполненных ис-
следований при использовании частично кри-
сталлических матриц изменение степени их
кристалличности, наблюдаемое в процессе
получения композиционного материала, кор-
релируется определенным образом с уровнем
теплопроводящих свойств данного материала.
Как уже отмечалось, степень кристалличности
композита для всех рассмотренных ситуаций ока-
зывается меньше ее величины для соответствую-
щего ненаполненного полимера. Действительно,
ввиду образования в композите разветвленных
перколяционных структур степень кристаллич-
ности полимерной матрицы уменьшается. При
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
70
a)
,%
,
В
т/
(м
К
)
1
2
3
4
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
в)
,
В
т/
(м
К
)
,%
Рис. 3. Зависимость коэффициента
теплопроводности полимерных
композиционных материалов от массовой
доли наполнителя при использовании в
качестве полимерных матриц
полиэтилена (1), полиметилметакрылата (2),
полипропилена (3) и поликарбоната (4) для
различных типов наполнителя:
а) УНТ; б) Cu; в) Al.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №5 11
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
этом чем более разветвленными являются дан-
ные структуры, тем значительнее снижается
указанная степень кристалличности. В плане же
величин коэффициентов теплопроводности ком-
позитов развитие проводящих перколяционных
структур обуславливает повышение теплопрово-
дящих свойств композиционных материалов. Та-
ким образом, большим отличиям степени крис-
талличности ненаполненных полимеров и со-
ответствующих композитов должны отвечать
более высокие значения коэффициентов тепло-
проводности композитов. Полученные экспе-
риментальные данные подтверждают справед-
ливость приведенных соображений. Например,
при использовании полипропилена указанные
отличия степени кристалличности составля-
ют для наполнителей из Al, Cu и УНТ 4,2; 7,2 и
19,7 % (табл. 2). Соответствующие же значения
коэффициентов теплопроводности композитов
равны 28,9; 41,5 и 58,7 Вт/(м∙К).
На основе результатов выполненных ис-
следований коэффициентов теплопроводности
полимерных композитов были определены их
составы, при которых начения λ равны соответ-
ствующим заданным величинам для разраба-
тываемого типоряда материалов (см. табл. 3). С
использованием данных, приведенных в табл. 3,
и результатов экспериментов по нахождению
максимальных температур эксплуатации разра-
батываемых композитов были установлены их
составы для каждого из элементов указанного
типоряда. При этом принималось во внимание
следующее. Полагалось, что в каждую из рас-
сматриваемых групп композитов А, В и С вклю-
чаются композиты, максимальная температура
которых превышает некоторую заданную для
данной группы величину max
экT . Соответственно
этому, группу А составляли все рассматривае-
мые композиты, группу В – композиты на основе
полипропилена и поликарбоната, а группу С –
композиты на основе поликарбоната.
Согласно полученным данным каждому эле-
менту разрабатываемого типоряда может отве-
чать множество композитов. Так, элементу А1
соответствует 12 композитов, элементу В1 – 6,
элементу С1 – 3. Из каждого множества компо-
зитов был выбран один по соображениям ми-
нимальной общей стоимости его компонентов
(см. табл. 4). При расчетах указанные стоимости
принимались по данным Лондонской товарной
биржи, осредненным за период с сентября 2014 г.
по август 2015 г., и составляли за тонну материа-
ла: для полиэтилена – 268$, полиметилметакры-
лата – 305$, полипропилена – 315 $, поликарбона-
та – 390$, УНТ – 3350$, Cu – 5800$ и Al – 2030$.
Как видно из табл. 4, стоимость материалов
для композитов группы В весьма незначительно
превышает стоимость материалов для соответ-
ствующих элементов группы А. Это связано с
тем, что стоимость полипропилена, являющего-
ся матрицей для всех композитов группы В, не
намного превышает стоимость матрицы из поли-
метилметакрылата, на основе которой сформиро-
вано большинство композитов группы А. Кроме
того наблюдаемая тенденция к повышению доли
наполнителя для материалов группы В по срав-
нению с группой А является весьма слабо выра-
женной. То есть доля стоимости наполнителей в
общей стоимости композита повышается для ма-
териалов группы В незначительно.
Что же касается соотношения стоимостей
материалов для композитов групп В и С, то име-
ют место ее существенно большие значения для
материалов группы С. Последнее обусловлено, с
одной стороны, более высокой стоимостью ма-
трицы (поликарбоната), с другой – большей сто-
имостью наполнителя ввиду значительного уве-
личения его доли в композиционном материале.
Полученные данные о составе композитов
для материалов теплообменных поверхностей
свидетельствуют также о том, что в перечне раз-
работанных композитов отсутствуют полимеры,
наполненные микрочастицами меди. Данное
обстоятельство связано с тем, что стоимость меди
существенно превосходит стоимость других рас-
сматриваемых наполнителей. Так, она превыша-
ет стоимость алюминия в 2,8 раза, а углеродных
нанотрубок – 1,7 раза.
Характеризуя в целом материалы разработан-
ного типоряда, следует также отметить, что они
обладают высокой коррозионной стойкостью.
Это является весьма важным при создании ши-
роко применяемых теплообменных аппаратов,
которые эксплуатируются в условиях воздействия
агрессивных сред. Традиционно в таких ситуа-
циях в качестве материалов для теплообменных
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №512
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
λ
ко
мп
о-
зи
та
,
В
т/
(м
∙К
)
Ти
п
по
ли
ме
рн
ой
ма
тр
иц
ы
Ти
п
на
по
лн
и-
те
ля
ω,
%
Су
мм
ар
на
я
ст
ои
мо
ст
ь
ко
мп
он
ен
то
в
ко
мп
оз
ит
а,
$
λ
ко
мп
о-
зи
та
,
В
т/
(м
∙К
)
Ти
п
по
ли
ме
рн
ой
ма
тр
иц
ы
Ти
п
на
по
лн
и-
те
ля
ω,
%
Су
мм
ар
на
я
ст
ои
мо
ст
ь
ко
мп
он
ен
то
в
ко
мп
оз
ит
а,
$
20
П
Э
У
Н
Т
2,
8
35
4
30
П
П
У
Н
Т
3,
1
40
9
П
Э
C
u
3,
5
46
2
П
П
C
u
3,
8
51
7
П
Э
A
l
4,
3
34
4
П
К
У
Н
Т
5,
2
54
4
П
М
М
А
У
Н
Т
2,
4
37
8
П
К
C
u
4,
3
62
3
П
М
М
А
C
u
3,
1
47
5
35
П
Э
У
Н
Т
5,
8
44
7
П
М
М
А
A
l
4,
9
38
9
П
Э
C
u
7,
1
66
1
П
П
У
Н
Т
2,
6
39
6
П
М
М
А
У
Н
Т
3,
1
39
9
П
П
C
u
2,
7
46
3
П
М
М
А
C
u
6,
0
63
5
П
П
A
l
3,
3
37
2
П
П
У
Н
Т
3,
4
41
8
П
К
У
Н
Т
2,
9
47
6
П
П
C
u
4,
6
56
7
П
К
C
u
2,
9
54
7
П
К
У
Н
Т
6,
3
57
6
П
К
A
l
5,
9
48
7
П
К
C
u
6,
4
73
6
25
П
Э
У
Н
Т
3,
2
36
7
40
П
Э
У
Н
Т
7,
5
49
9
П
Э
C
u
4,
2
50
0
П
М
М
А
У
Н
Т
3,
5
41
2
П
Э
A
l
8,
0
40
9
П
М
М
А
C
u
9,
5
82
7
П
М
М
А
У
Н
Т
2,
5
38
1
П
П
У
Н
Т
3,
9
43
3
П
М
М
А
C
u
3,
6
50
3
П
П
C
u
7,
9
83
8
П
М
М
А
A
l
7,
2
42
9
П
К
У
Н
Т
7,
5
61
2
П
П
У
Н
Т
2,
8
40
0
45
П
Э
У
Н
Т
9,
6
56
4
П
П
C
u
3,
2
49
0
П
М
М
А
У
Н
Т
4,
2
43
3
П
П
A
l
5,
0
40
1
П
П
У
Н
Т
4,
8
46
1
П
К
У
Н
Т
3,
8
50
2
П
К
У
Н
Т
8,
5
64
2
П
К
C
u
3,
4
57
4
50
П
М
М
А
У
Н
Т
5,
3
46
6
П
К
A
l
9,
5
54
6
П
П
У
Н
Т
6,
0
49
7
30
П
Э
У
Н
Т
4,
1
39
4
П
К
У
Н
Т
10
,0
68
6
П
Э
C
u
5,
9
59
4
55
П
М
М
А
У
Н
Т
7,
0
51
8
П
М
М
А
У
Н
Т
2,
8
39
0
П
П
У
Н
Т
7,
5
54
2
П
М
М
А
C
u
4,
5
55
2
60
П
М
М
А
У
Н
Т
9,
5
59
4
Та
бл
иц
а
3.
Х
ар
ак
те
ри
ст
ик
и
по
ли
ме
рн
ы
х
ми
кр
о-
и
н
ан
ок
ом
по
зи
то
в,
з
на
че
ни
я
ко
эф
фи
ци
ен
то
в
те
пл
оп
ро
во
дн
ос
ти
к
от
ор
ы
х
ра
вн
ы
за
да
нн
ы
м
ве
ли
чи
на
м
дл
я
ра
зр
аб
ат
ы
ва
ем
ог
о
ти
по
ря
да
м
ат
ер
иа
ло
в
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №5 13
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Таблица 4. Характеристики полимерных микро- и нанокомпозитов разработанного типоряда
материалов для теплообменных поверхностей
Обозначение
элементов
типоряда
материалов
Тип
полимера
Тип
наполнителя ω, %
Стоимость материалов, $
матрица напол-
нитель
суммарная
стоимость
компонентов
композита
А1 ПЭ Al 4,3 257 87 344
А2 ПЭ УНТ 3,2 260 107 367
А3 ПММА УНТ 2,8 296 94 390
А4 ПММА УНТ 3,1 295 104 399
А5 ПММА УНТ 3,5 294 118 412
А6 ПММА УНТ 4,2 292 141 433
А7 ПММА УНТ 5,3 289 177 466
А8 ПММА УНТ 7,0 284 234 518
А9 ПММА УНТ 9,5 276 318 594
В1 ПП Al 3,3 305 67 372
В2 ПП УНТ 2,8 306 94 400
В3 ПП УНТ 3,1 305 104 409
В4 ПП УНТ 3,4 304 114 418
В5 ПП УНТ 3,9 302 131 433
В6 ПП УНТ 4,8 300 161 461
В7 ПП УНТ 6,0 296 201 497
В8 ПК УНТ 7,5 291 251 542
С1 ПК УНТ 2,9 379 97 476
С2 ПК УНТ 3,8 375 127 502
С3 ПК УНТ 5,2 369 175 544
С4 ПК УНТ 6,3 365 211 576
С5 ПК УНТ 7,5 361 251 612
С6 ПК УНТ 8,5 357 285 642
С7 ПК УНТ 10,0 351 335 686
поверхностей применяется нержавеющая сталь.
Сравнительная оценка показывает, что ее стои-
мость в 2 - 3 раза превышает стоимость разра-
ботанных полимерных микро- и нанокомпозитов.
Выводы
1. Для изготовления теплообменных поверх-
ностей различного назначения разработан ти-
поряд полимерных микро- и нанокомпозитов с
коэффициентом теплопроводности, изменяю-
щимся от 20 до 60 Вт/(м∙К), и максимальной
температурой эксплуатации, находящейся в
пределах 390…470 К. Исследованы возможно-
сти использования в качестве элементов данного
типоряда частично кристаллических (полиэтиле-
на, полипропилена, поликарбоната) и аморфного
(полиметилметакрылата) полимеров, наполнен-
ных углеродными нанотрубками или микроча-
стицами меди и алюминия.
2. Показано, что при повышении темпера-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №514
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Transfer. – 2012. – V. 48. – P. 965 – 978.
3. Wang Q. A review on application of
carbonaceous materials and carbon matrix composites
for heat exchangers and heat sinks / Q. Wang, X.H.
Han, A. Sommers, Y. Park, C. T Joen, A. Jacobi.
– International Journal of Refrigeration. – 2012. –
V. 38.– P. 7 – 26.
4. Yuchun Q. Experimental Investigation of a
Novel Polymeric Heat Exchanger Using Modified
Polypropylene Hollow Fibers / Yuchun Qin, Baoan
Li, Shichang Wang. – Industrial & Engineering
Chemistry Research. – 2012. – V. 51.– P. 882 – 890.
5. Elias M.M. Effect of nanoparticle shape on
the heat transfer and thermodynamic performance
of a shell and tube heat exchanger. / M.M. Elias,
M. Miqdad, I.M. Mahbubul, R. Saidur, M.
Kamalisarvestani, M.R. Sohel, Arif Hepbasli,
N.A. Rahim, M.A. Amalina. – International
Communications in Heat and Mass Transfer. – 2013.
– V. 44.– P. 93 – 99.
6. Skokov K.P. Heat exchangers made of
polymer – bonded La (Fe,Si)13./K.P. Skokov, D.Yu.
Karpenkov, M.D. Kuz’m in, I.A. Radulov, T.
Gottschall, B. Kaeswurm, M. Fries, O. Gutfleisch. –
Journal of Applied Physics. – 2014. – Vol. 115. – Р.
17A941 – 17A943.
7. Dengshan Z. Grain and nanoparticle
coarsening of an ultrafine structured Cu–5 vol. 5
Al2O3 nanocomposite during isochronal annealing.
/ Dengshan Zhou, Deliang Zhang, Charlie Kong,
Paul Munroe, Rob Torrens. – Journal of Alloys and
Compounds. – 2015. – Vol. 642. – P. 83 – 91.
8. Берштейн В.А., Егоров В.М. Дифференци-
альная сканирующая калориметрия в физикохи-
мии полимеров. – Л.: Химия, 1990. – 256 с.
9. Долинский А.А. Теплофизические свойства
полимерных микро- и нанокомпозитов на основе
поликарбоната / А. А. Долинский, Н. М. Фиалко,
Р. В. Динжос, Р. А. Навродская // Промышленная
теплотехника.- 2015. – №2. – С.12 – 19.
10. 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.
туры эксплуатации теплообменного аппарата
имеет место тенденция к возрастанию доли на-
полнителя в соответствующих композиционных
материалах. Установлено, что данное обстоятель-
ство наряду с необходимостью применения более
дорогостоящих полимерных матриц приводит к
увеличению стоимости композитов.
3. Получены температурные зависимости
удельной теплоемкости для разрабатываемых
полимерных композитов и с их использованием
найдены максимальные температуры эксплуата-
ции данных композитов. Показано, что для всех
рассматриваемых композиционных материалов
на основе частично кристаллических полимеров
эта температура не зависит от типа и массовой
доли наполнителя и определяется по температу-
ре плавления соответствующих полимеров. Уста-
новлено также, что для композитов на основе
аморфных полимеров их максимальная темпера-
тура эксплуатации является функцией типа на-
полнителя и его концентрации.
4. Выполнены экспериментальные иссле-
дования закономерностей изменения коэффици-
ентов теплопроводности для рассматриваемых
композиционных материалов. Определены зна-
чения первого и второго порогов перколяции, от-
вечающих образованию из частичек наполнителя
соответственно непрерывного перколяционного
кластера и перколяционной сетки. Для разра-
ботанных композитов на основе частично крис-
таллических полимеров установлено наличие
корреляционной зависимости между степенью
кристалличности композиционного материала и
его теплопроводящими свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Cevallos J. G. Polymer Heat Exchangers –
History, Opportunities and Challenges / Juan Gabriel
Cevallos, Arthur E. Bergles, Avram Bar Cohen,
Peter Rodgers, Satyandra K. Gupta. – Heat Transfer
Engineering. – 2012. – V. 33.– P. 1075– 1093.
2. Jesumathy S. Experimental study of enhanced
heat transfer by addition of CuO nanoparticle / Stella
Jesumathy, M. Udayakumar, S. Suresh. – Heat Mass
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №5 15
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
5 – 13 .
THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF THE
HIGHLY HEAT-CONDUCTING POLYMERIC
MICRO-AND NANOCOMPOSITES
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, 540030,
Ukraine
Key words: polymer micro- and nanocomposites,
heat transfer surfaces, thermophysical properties,
The results of studies to the develop of the type
series of polymer micro- and nanocomposites with
thermal conductivity varying from 20 to 60 W/(m∙K),
and the maximum operating temperature ranging
390...470 K for the manufacture of heat transfer
surfaces are presented. The possibility of use as
elements this type series of partially crystalline and
amorphous polymers (polyethylene, polypropylene,
polycarbonate and polimetilmetakrylate) filled
with carbon nanotubes or particles of copper
and aluminum are considered. The experimental
dependence from the temperature of specific heat
of the developed composite materials and their
conversion into data about values of the maximum
operating temperature are gsven. Research mate-
rials to establish patterns of change in thermal
conductivity of the developed materials by the mass
fraction of fillers are presented.
References 10, fig. 3, tabl. 4.
1. Cevallos J. G. Polymer Heat Exchangers –
History, Opportunities and Challenges / Juan Gabriel
Cevallos, Arthur E. Bergles, Avram Bar Cohen,
Peter Rodgers, Satyandra K. Gupta. – Heat Transfer
Engineering. – 2012. – V. 33.– P. 1075 – 1093.
2. Jesumathy S. Experimental study of enhanced
heat transfer by addition of CuO nanoparticle / Stella
Jesumathy, M. Udayakumar, S. Suresh // Heat Mass
Transfer. – 2012. – V. 48. – P. 965 – 978.
3. Wang Q. A review on application of
carbonaceous materials and carbon matrix composites
for heat exchangers and heat sinks / Q. Wang, X.H.
Han, A. Sommers, Y. Park, C. T Joen, A. Jacobi //
International Journal of Refrigeration. – 2012. – V.
38.– P. 7 – 26.
4. Yuchun Q. Experimental Investigation of a
Novel Polymeric Heat Exchanger Using Modified
Polypropylene Hollow Fibers / Yuchun Qin, Baoan
Li, Shichang Wang // Industrial & Engineering
Chemistry Research. – 2012. – V. 51.– P. 882 – 890.
5. Elias M.M. Effect of nanoparticle shape on the
heat transfer and thermodynamic performance of a
shell and tube heat exchanger/ M.M. Elias, M. Miqdad,
I.M. Mahbubul, R. Saidur, M. Kamalisarvestani,
M.R. Sohel, Arif Hepbasli, N.A. Rahim, M.A.
Amalina // International Communications in Heat
and Mass Transfer. – 2013. – V. 44.– P. 93 – 99.
6. Skokov K.P. Heat exchangers made of
polymer– bonded La(Fe,Si)13 / K.P. Skokov, D.Yu.
Karpenkov, M.D. Kuz’min, I.A. Radulov, T.
Gottschall, B. Kaeswurm, M. Fries, O. Gutfleisch //
Journal of Applied Physics. – 2014. – Vol. 115. – Р.
17A941 – 17A943.
7. Dengshan Z. Grain and nanoparticle
coarsening of an ultrafine structured Cu–5 vol.5
Al2O3 nanocomposite during isochronal annealing
/ Dengshan Zhou, Deliang Zhang, Charlie Kong,
Paul Munroe, Rob Torrens // Journal of Alloys and
Compounds. – 2015. – Vol. 642. – P. 83 – 91.
8. Bernstein V.A. Differential Scanning
Calorimetry in the physical chemistry of polymers /
V.A. Bernstein, V.M. Egorov – L .: Chemistry, 1990.
– 256 p. (Rus)
9. Dolinskiy A.A. Thermophysical properties
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)
10. 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)
Получено 18.08.2015
Received 18.08.2015
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142196 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:30:57Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Долинский, А.А. Фиалко, Н.М. Фиалко, Н.М. Динжос, Р.В. Навродская, Р.А. 2018-09-30T10:48:33Z 2018-09-30T10:48:33Z 2015 Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов / А.А. Долинский, Н.М. Фиалко, Р.В. Динжос, Р.А. Навродская // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 5. — С. 5-15. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.5.2015.01 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142196 538.9:536.6 Приведены результаты исследований по разработке типоряда высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов на основе частично кристаллических и аморф ных полимеров для изготовления теплообменных поверхностей. Представлены данные экспериментов по определению таких характеристик композиционных материалов этого типоряда, как коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и максимальная температура эксплуатации. Наведено результати досліджень з розробки типоряду високотеплопровідних полімерних мікро- і нанокомпозитів на основі частково кристалічних та аморфних полімерів для виготовлення теплообмінних поверхонь. Представлено дані експериментів з визначення таких характеристик композиційних матеріалів цього типоряду, як коефіцієнт теплопровідності, питома теплоємність та максимальна температура експлуатації. The results of research to develop of the type series of the high-heat transfer polymer micro- and nanocomposites based on partially crystalline and amorphous polymers for the manufacture of heat exchange surfaces are presented. The data of experiments to determine such characteristics of the composite materials of this series as thermal conductivity, specific heat and maximum operating temperature are given. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов Thermophysical properties of the highly heat-conducting polymeric micro- and nanocomposites Article published earlier |
| spellingShingle | Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов Долинский, А.А. Фиалко, Н.М. Фиалко, Н.М. Динжос, Р.В. Навродская, Р.А. Тепло- и массообменные процессы |
| title | Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов |
| title_alt | Thermophysical properties of the highly heat-conducting polymeric micro- and nanocomposites |
| title_full | Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов |
| title_fullStr | Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов |
| title_full_unstemmed | Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов |
| title_short | Теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов |
| title_sort | теплофизические характеристики высокотеплопроводных полимерных микро- и нанокомпозитов |
| topic | Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet | Тепло- и массообменные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142196 |
| work_keys_str_mv | AT dolinskiiaa teplofizičeskieharakteristikivysokoteploprovodnyhpolimernyhmikroinanokompozitov AT fialkonm teplofizičeskieharakteristikivysokoteploprovodnyhpolimernyhmikroinanokompozitov AT fialkonm teplofizičeskieharakteristikivysokoteploprovodnyhpolimernyhmikroinanokompozitov AT dinžosrv teplofizičeskieharakteristikivysokoteploprovodnyhpolimernyhmikroinanokompozitov AT navrodskaâra teplofizičeskieharakteristikivysokoteploprovodnyhpolimernyhmikroinanokompozitov AT dolinskiiaa thermophysicalpropertiesofthehighlyheatconductingpolymericmicroandnanocomposites AT fialkonm thermophysicalpropertiesofthehighlyheatconductingpolymericmicroandnanocomposites AT fialkonm thermophysicalpropertiesofthehighlyheatconductingpolymericmicroandnanocomposites AT dinžosrv thermophysicalpropertiesofthehighlyheatconductingpolymericmicroandnanocomposites AT navrodskaâra thermophysicalpropertiesofthehighlyheatconductingpolymericmicroandnanocomposites |