Мета роботи полягає у теоретичному дослідженні властивостей термотривких полімерних матеріалів та практичному дослідженні впливу температури і вмісту наповнювачів на теплоємність і теплопровідність композиційних матеріалів на основі таких термотривких полімерів як ароматичні полііміди.

Цій меті підпорядковані такі завдання:

1. Вивчити властивости термотривких полімерів.

2. Дослідити теплофізичні властивости композиційних полімерних матеріалів на основі термотривких полімерів.

3. Дослідити вплив температури та вмісту наповнювача на теплофізичні властивости композиційних матеріалів на основі ароматичного полііміду.

4. Знайти з емпіричних формул Максвелла–Ейкена, Оделевського, Дульнева та Нільсена залежність теплопровідности композиційних матеріалів на основі ароматичного полііміду від концентрації наповнювачів ? сферичних частинок графіту.

Методи дослідження. У дипломній роботі використані методи теплофізичних вимірювань теплоємности і теплопровідности та методи математичної статистики.

Обгрунтованість, точність і ступінь достовірности результатів роботи підтверджуються літературними джерелами, результатами досліджень сучасними фізико-хемічними методами та статистичними характеристиками оброблених експериментальних даних. Надійність результатів визначена ймовірністю 0,95 прийняття гіпотез і статистичних оцінок.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше узагальнено та систематизовано властивости термотривких полімерів.

2. Вперше досліджено вплив температури та вмісту наповнювача на теплофізичні властивости композиційних матеріалів, а також визначено з емпіричних формул залежности теплопровідности композиційних матеріалів на основі ароматичного полііміду від концентрації наповнювачів.

3. Вперше порівняно результати експериментального і емпіричного визначення теплопровідности цих матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів. Результати можуть бути використані у вищих навчальних закладах при читанні спецкурсу «Термотривкі полімери». Результати експерименту дають можливість розробляти композиційні матеріали із заданим коефіцієнтом теплопровідности та іншими теплофізичними характеристиками.

Особистий внесок здобувача: аналіз властивостей термотривких полімерів та розрахунки, аналіз і обговорення результатів експериментальних даних впливу температури та вмісту наповнювача на теплофізичні властивости композиційних матеріалів на основі термотривких полімерів.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися на Звітних наукових конференціях студентів Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника за 2008 та 2009 рр. (м. Івано-Франківськ, 2009, 2010).

Структура і обсяг роботи. Робота складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, рекомендацій, списку використаних літературних джерел з 94 найменувань. Повний обсяг роботи складає 184 сторінки, з них 7 рисунків, 36 таблиць.

Техніка безпеки. Вимірювач теплоємности ИТС400 та вимірювач теплопровідности ИТ400 складні теплофізичні прилади, які включають механічні вузли, схему електроживлення, термопарні ланцюги, автоматичний реґулятор температури, систему охолодження рідким азотом. Різні системи тісно взаємопов’язані, експлуатація приладу потребує розуміння роботи всіх вузлів і систем окремо та приладу вцілому, а також певних практичних навиків.

Встановлення вимірювача на робочому місці полягає у вигідному для обслуговування і експлуатації розміщенні блоків та приладу Ф136. У місці встановлення вимірювача не повинно бути вібрацій, повинні бути відсутні зовнішні електричні і маґнітні поля (крім маґнітного поля Землі). Недопустима наявність у повітрі домішок NH3, сірчистих та інших аґресивних ґазів, що викликають корозію.

РОЗДІЛ 1

ВЛАСТИВОСТИ ТЕРМОТРИВКИХ ПОЛІМЕРІВ

1.1. Класифікація термотривких полімерів

Поділ сполук на різні класи полегшує вивчення їхніх властивостей. Сполуки одного класу мають спільні властивости, хоч кожен окремий представник має свої індивідуальні властивости.

Серед термотривких полімерів найбільшою термостійкістю володіють ті, які містять в основному ланцюгу ароматичні ядра. Такі полімери поділяють на такі групи [3]:

1. Лінійні полімери з простими групами шарнірних атомів (–О–, –S–, –SO2–, –СН2– та ін.) між ароматичними кільцями:

До цієї групи лінійних термостійких полімерів належать політетрафторетилен, а також кополімери етилену з тетрафторетиленом.

2. Лінійні полімери, що містять складні шарнірні групи атомів, наприклад, амідні або естерні: |

(1.2)

(1.3)

3. Ароматичні полімери, що містять в основному ланцюгу гетероциклічні групи (гетероцикли): |

(1.4)

(1.5)

(1.6)

4. Поліциклічні плоскі сходинкові полімери: |

(1.7)

5. Плоскі паркетні полімери: |

(1.8)

До цієї групи входять вуглецеві волокна та полімери зі структурою графіту [3].

Значний вплив на теплостійкість термотривких полімерів мають міжмолекулярні сили, які зменшуються із зростанням температури. Якщо замінити міжмолекулярні зв’язки на хемічні шляхом зшивання ланцюгів, то одержують просторово зшиті полімери з підвищеною теплостійкістю [3].

Незначні зміни хемічної будови полімерів (наприклад, поліфеніленоксид і поліфеніленсульфід) приводять до значних змін їх теплофізичних, фізико-механічних і хемічних властивостей.

1.2. Теплофізичні характеристики полімерів

На практиці для визначення меж експлуатації термостійких полімерів необхідно знати їх здатність витримувати навантаження за високих температур, стійкість до дії навколишнього середовища, а також вартість. Деякі полімери можуть витримувати дію тепла протягом короткого часу, і лише деякі з них витримують навантаження за високих температур протягом тривалого часу.

Для характеристики теплофізичних властивостей термотривких полімерів найчастішеше використовують поняття теплоємности, теплопровідности, тепло - і термостійкости [50, 60].

1.2.1. Теплоємність

Теплоємністю в даному процесі називається відношення кількости енергії у формі тепла Q в цьому процесі, що передається тілу або відводиться від нього і викликає при цьому певну зміну температури, до відповідної зміни температури [60]:

С=. (1.9)

Теплоємність є екстенсивною властивістю речовини, тобто такою, що залежить від кількости речовини (маси, об’єму, кількости молей). Теплоємність, що віднесена до одиниці кількости речовини носить назву питомої. Це вже є характеристика інтенсивних властивостей речовини, тобто величина питомої теплоємности не залежить від кількости речовини тіла [54].

Для полімерів рівняння, що описують залежність теплоємности від температури, мають вигляд [60]:

при Т ? 73 К ; (1.10)

при Т < 10?15 К ; (1.11)

при Т = 50?150 К або ); (1.12)

при Т = 223…473 К . (1.13)

Теплоємність тіла залежить від числа внутрішніх ступенів свободи, а також від видів руху, які можливі у молекулі. Речовина, яка знаходиться в рідкому стані має більше число ступенів свободи, ніж у твердому стані. Саме тому, під час нагрівання рідини тепло, яке поглинається, йде на більшу кількість ступенів свободи, тому теплоємність рідини завжди більша, ніж теплоємність твердого тіла [3].

Для деяких полімерів, таких як, полівінілацетат,