05 марта 2016г.
Введение
В настоящее время композиционные материалы на основе полимерных матриц активно используются в качестве согласующих и демпфирующих слоёв в твердотельных ультразвуковых преобразователях и пьезоэлектрических датчиках. [1-5]. В случае композиционных материалов с порошковыми наполнителями важно, чтобы распределение частиц наполнителя по объёму полимерной матрицы было равномерно. Для этого, в качестве исходных материалов должны использоваться полимерные порошки с размером частиц меньше чем размер частиц наполнителя. В работе изучалось влияние режимов помола в планетарной шаровой мельнице полистирольных гранул, на средний размер частиц получаемых порошков. Целью данной работы было получение порошкового полистирола со средним размером частиц около 2±0,5 мкм.
Методика эксперимента
Помол осуществлялся с помощью шаровой планетарной микро мельницы (Pulverset). Использовались шары из карбида вольфрама размерами 10, 5 и 1 мм. В качестве исходного материала использовался полистирольные гранулы со средним размером 4 мм. Средний размер частиц полученных порошковых материалов оценивался по микрофотографиям полученным методами сканирующей электронной микроскопии (Mira Tescan). Статистические данные получались с помощью программного обеспечения Gwydion 4.3.
Обсуждение результатов эксперимента
На Рисунке 1 схематически представлена зависимость среднего размера частиц от режимов помола. На подготовительном этапе из полистирольных гранул размером 4 мм при помощи шаров диаметром 10 мм был получен порошковый материал со средним размером частиц 12,6 мкм (образец ПС 0). Масса полученного материала составляла 50 грамм при загрузке чаши в 3 г данного объёма материала было достаточно для проведения серии экспериментов.
Образцы ПС1, ПС2 и ПС3 были получены помолом
шарами размером 5 мм, скорость вращения размольных чаш была выбрана 400 оборотов.
Образцы ПС1 и ПС2 отличались количеством циклов помола, 50, 100 и 200 циклов соответственно. Цикл 5/5 обозначает 5 минут работы – 5 минут пауза. Необходимость паузы обусловлена возможностью перегрева размалываемого материала. Температура помола близкая к температуре размягчения полистирола может привести к деградации свойств
вызванной термодеструкцией полимера и ухудшению качества помола,
так как измельчаемые частицы перестанут раскалываться и будут только вязко деформироваться.
Средний размер частиц образцов
ПС1, ПС2 и ПС3 составил 3,77, 2,77 и 2,67 мкм соответственно. Видно, что обработка шарами диаметром 5 мм при таком режиме имеет порог примерно
в 2,5 мкм и дальнейшее увеличение количества циклов
не приведёт к достижению цели эксперимента.
Помол образца
ПС0 шарами диаметром
1 мм – ПС4 и ПС5 дал порошки со средним размером
частиц 4,1 и 3,37 мкм соответственно. Интенсивность помола была увеличена
путём изменения числа оборотов в минуту до 500.
Большее значение
скорости вращения
– является «тяжёлым» режимом
для оборудования и увеличивает износ механизмов планетарной микромельницы, что при столь длительных
процессах обработки материала может привести к его поломке. Длительность паузы была увеличена до 10 минут. При среднем размере
4,1 и 3,37 мкм и количестве циклов 100 и 200 дальнейшее
увеличение количества циклов возможно
приведёт к достижению необходимого
размера частиц,
но столь длительная обработка не позволит
получить материал
в достаточном объёме, соответственно такой
режим помола нецелесообразен.
Уменьшение размеров частиц за счёт помола шарами только 1 мм или 5 мм не достаточно для получения частиц нужного
размера. Образцы
ПС6 и ПС7 были получены
в рамках эксперимента по последовательному уменьшению частиц. ПС6 по сути является
аналогом ПС3 и по режимам и по среднему размеру
частиц, который составлял 2,67 мкм. После этого образец
ПС 6 обрабатывался шарами диаметром 1 мм при режимах идентичных режимам образца ПС5. Полученный образец, ПС7, существенно отличался от ПС5.
Средний размер составлял 2,37 мкм, что гораздо ближе к требуемому нам значению. На Рисунке 2 представлены микрофотография порошка
и гистограмма распределения частиц по размерам.
Работа выполнена при поддержке
Совета по грантам
Президента РФ (СП-677.2015.4) и гранта № 13-08- 00678-а Российского фонда фундаментальных исследований.
Список литературы
1.
Grewe M.G., Gururaja
T.R., Shrout T.R., Newnham R.E.. Acoustic
properties of particle/polymer composites for ultrasonic transducer backing applications. IEEE Trans Ultrasonic Ferroelectric Frequency Control. 1990;37(6):506-14.;
2.
Paul K. Techniques for joining dissimilar materials: metals and polymers/ K. Paul, S. Raimo, J. Martikainen, C. Magnus // Rev.
Adv. Mater. Sci. – 2014. – 36.
– P. 152-164.
3.
Toda M. Thompson M. Novel multi-layer polymer-metal structures for use in ultrasonic transducer impedance matching and backing absorber
applications.//IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and
frequency control – 2010 v.57№12
– p.2818-2827
4.
Смирнов А.В., Синёв И. В., Шихабудинов А. М Акустические свойства композита
0-3 на основе вольфрама и полистирола// Журнал радиоэлектроники. 2012.
№ 12. 16 с.
5.
Смирнов А.В.,
Синёв И.В. Капсулирование микрочастиц вольфрама в полистирол // Тезисы докладов международной научно-технической конференции — Гомель: ИММС НАНБ, 2015. С. 172
