Розробка технології електропровідних композитних покриттів для джерел тепла технічного призначення

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливого науково-прикладного завдання, яке полягає у створенні електропровідних композитних покриттів для гнучких та жорстких нагрівальних елементів технічного призначення. Актуальність дослідження обумовлена потребою в розробці нових надійних, енергоефективних та безпечних нагрівальних елементів, які можуть бути легко інтегровані в різноманітні застосування. Розробка електропровідних композитів на основі полівінілбутиралю з додаванням наповнювачів дозволяє створювати покриття, що застосовуються в нагрівальних елементах технічного призначення. Метою роботи було розроблення технології електропровідних композитних покриттів мультифункціонального призначення та їх застосування для джерел тепла технічного призначення. У відповідності до мети роботи вирішувалися такі завдання: - дослідження впливу технології змішування та дисперсії компонентів на властивості електропровідного полімерного композиту; - отримання електропровідних полімерних композитних покриттів різноманітного складу та дослідження вплив типу, концентрації складових наповнювача на електропровідність полімерних композитів; - визначення впливу типу полімерної матриці на електричні властивості композитів; - визначення електричних характеристик електропровідних полімерних композитів таких як питомий опір, вплив температури на опір характеристики потужності; - створення тестових зразків гнучких нагрівальних елементів на основі отриманих електропровідних полімерних композитів та відпрацювати технологію їх отримання в промислових умовах; - визначення можливих напрямків впровадження електропровідних полімерних композитів; Об’єкт дослідження: процес створення полімерних електропровідних композитних покриттів. Предмет дослідження: технологія електропровідних композитних покриттів для джерел тепла технічного призначення. Наукова новизна одержаних результатів. Основні положення, що визначають наукову новизну дисертаційної роботи полягають у наступному: Уперше встановлено вплив діелектричного наповнювача, зокрема карбонату кальцію, на електричні властивості полімерних композитних електропровідних покриттів. Виявлено, що введення карбонату кальцію сприяє концентруванню електропровідного наповнювача у полімерній матриці і зумовлює утворення більш ефективної перколяції часток електропровідного наповнювача. Виявлено вплив поверхнево-активної речовини на електричні властивості полімерних композитних електропровідних покриттів. Завдяки хімічному диспергуванню електропровідного наповнювача відбувається формування стійкої перколяційної структури. Встановлено вплив термічної обробки композитних покриттів, що містять полівінілбутираль на їх електричні властивості. При первинному нагрівання композитного покриття до температури понад 100℃ відбувається виділення низькомолекулярних сполук з полівінілбутиралю та зміна його структури, що забезпечує зниження електричного опору та його стабільне значення при наступних циклах нагрівання. Практичне значення роботи. Розроблено технологічні схеми процесу одержання електропровідних покриттів для створення гнучких та жорстких нагрівальних елементів. Запропоновано застосування композитного електропровідного покриття для створення макетів військової техніки, котрі володіють здатністю відбивати електромагнітні хвилі. Практично підтверджено можливість застосування композитного електропровідного покриття під час створення метаматеріалів, котрі здатні поглинати електромагнітне випромінювання. Наукові дослідження виконувались в рамках ініціативної тематики "Розробка технології одержання композитних матеріалів спеціального призначення", державний реєстраційний номер 0123U100731, 01.2023-06.2027рр. та ініціативної тематики "Розробка технології одержання нетканих полімерних матеріалів спеціального призначення", державний реєстраційний номер 0123U100732, 01.2023-06.2027рр. Роль здобувача полягає у безпосередньому здійсненні експериментальних досліджень та аналізі їх результатів. Крім того, результати дослідження були використані при виконанні госпдоговору №1179 від 16.11.2022 ТОВ "АЙ ДАБЛ-Ю ХОУМ" "Розробка технології виготовлення покриття спеціального призначення, що здатне відбивати електромагнітне випромінювання". Роль здобувача полягає у розробці рецептури та створенні рідкого полімерного композиту та дослідженні його властивостей. За результатами досліджень отримано акти впроваджень про створення нагрівальних елементів методом 3д друку та застосування композитного покриття при створенні макетів військової техніки. Результати досліджень впроваджені в освітній процес підготовки фахівців за спеціальністю 161 – хімічні технології та інженерія, за освітньою програмою "Хімічні технології полімерних і композиційних матеріалів" на кафедрі хімічних технологій та ресурсозбереження КНУТД, використовуються при підготовці лекційних курсів, кваліфікаційних робіт магістрів.

The dissertation is devoted to solving an important scientific and applied problem, which consists in creating electrically conductive composite coatings for flexible and rigid heating elements for technical purposes. The relevance of the research is due to the need to develop new reliable, energy-efficient, and safe heating elements that can be easily integrated into various applications. The development of electrically conductive composites based on polyvinyl butyral with the addition of fillers allows the creation of coatings used in heating elements for technical purposes. The aim of the work was to develop a technology for multifunctional electrically conductive composite coatings and their application for technical heating sources. In accordance with the aim of the work, the following tasks were solved: Study of the influence of the mixing and dispersion technology of the components on the properties of the electrically conductive polymer composite; Obtaining electrically conductive polymer composite coatings of various compositions and studying the influence of the type, concentration of filler components on the electrical conductivity of polymer composites; Determination of the influence of the type of polymer matrix on the electrical properties of the composites; Determination of the electrical characteristics of electrically conductive polymer composites such as specific resistance, the influence of temperature on resistance, and power characteristics; Creation of test samples of flexible heating elements based on the obtained electrically conductive polymer composites and testing their production technology under industrial conditions; Determination of possible directions for the implementation of electrically conductive polymer composites. Object of research: the process of creating electrically conductive polymer composite coatings. Subject of research: technology of electrically conductive composite coatings for technical heating sources. Scientific novelty of the obtained results. The main provisions that determine the scientific novelty of the dissertation work are as follows: For the first time, the influence of a dielectric filler, in particular calcium carbonate, on the electrical properties of polymer composite electrically conductive coatings was established. It was found that the introduction of calcium carbonate promotes the concentration of the electrically conductive filler in the polymer matrix and causes the formation of a more efficient percolation structure of the electrically conductive filler particles. The influence of the surfactant on the electrical properties of polymer composite electrically conductive coatings was revealed. Due to the chemical dispersion of the electrically conductive filler, a stable percolation structure is formed. The effect of thermal treatment of composite coatings containing polyvinyl butyral on their electrical properties was established. During the initial heating of the composite coating to a temperature above 100°C, low-molecular compounds are released from polyvinyl butyral and its structure changes, which ensures a decrease in electrical resistance and its stable value during subsequent heating cycles. Practical significance of the work. Technological schemes for the production of electrically conductive coatings for the creation of flexible and rigid heating elements have been developed. The application of composite electrically conductive coating for creating models of military equipment that have the ability to reflect electromagnetic waves is proposed. The possibility of using composite electrically conductive coating in the creation of metamaterials capable of absorbing electromagnetic radiation has been practically confirmed. Scientific research was carried out within the framework of the initiative theme "Development of technology for obtaining composite materials for special purposes", state registration number 0123U100731, 01.2023-06.2027 and the initiative theme "Development of technology for obtaining non-woven polymer materials for special purposes", state registration number 0123U100732, 01.2023-06.2027. The role of the applicant is in the direct conduct of experimental research and analysis of their results. In addition, the research results were used in the implementation of the contract №1179 dated 16.11.2022 LLC "AI W HOME" "Development of technology for the production of special-purpose coatings capable of reflecting electromagnetic radiation". The role of the applicant is to develop the formulation and create a liquid polymer composite and study its properties. As a result of the research, implementation acts were obtained on the creation of heating elements by 3D printing and the use of composite coating in the creation of models of military equipment. The research results have been implemented in the educational process of training specialists in the specialty 161 - chemical technologies and engineering, according to the educational program "Chemical technologies of polymer and composite materials" at the Department of Chemical Technologies and Resource Saving of KNUTD, and are used in the preparation of lecture courses and qualification works of masters.