Establishing patterns in the effect of temperature regime when manufacturing nanocomposites on their heat-conducting properties

This paper reports the experimental study carried out to establish the dependence of the thermal conductivity of polypropylene-based nanocomposites filled with carbon nanotubes on the main parameter of the temperature regime of their manufacturing ‒ the level of overheating a polymer melt relative to its melting point. The study has been conducted for nanocomposites that were manufactured by applying a method based on the mixing of components in the polymer melt applying a special disk extruder. During the composite manufacturing process, the level of melt overheating varied from 10 to 75 K, with the mass share of filler ranging from 0.3 to 10.0 %. It is shown that increasing the overheating of a polymer melt causes an increase in the thermal conductivity of the composites. However, when the overheating has reached a certain value, its further growth does not increase the thermal conductivity of nanocomposites. Based on the established pattern, the rational level of this overheating has been determined. That resolves the tasks of manufacturing highly heat-conducting nanocomposites and implementing appropriate energy-saving technology. Data have been acquired on the effects of the impact of the amount of polymer melt overheating on the values of the first and second percolation thresholds for the examined nanocomposites. It is established that the value of the first percolation threshold is more sensitive to the specified amount of overheating. The dependences of the density of the examined composites on the level of polymer melt overheating have been derived. The correlation between a given dependence and the nature of a corresponding change in the thermal conductivity of the composites has been established. Applying the proposed highly heat-conducting nanocomposites is promising for micro and nanoelectronics, energy, etc

Встановлення закономірностей впливу температурного режиму одержання нанокомпозитів на їхні теплопровідні властивості

This paper reports the experimental study carried out to establish the dependence of the thermal conductivity of polypropylene-based nanocomposites filled with carbon nanotubes on the main parameter of the temperature regime of their manufacturing ‒ the level of overheating a polymer melt relative to its melting point. The study has been conducted for nanocomposites that were manufactured by applying a method based on the mixing of components in the polymer melt applying a special disk extruder. During the composite manufacturing process, the level of melt overheating varied from 10 to 75 K, with the mass share of filler ranging from 0.3 to 10.0 %. It is shown that increasing the overheating of a polymer melt causes an increase in the thermal conductivity of the composites. However, when the overheating has reached a certain value, its further growth does not increase the thermal conductivity of nanocomposites. Based on the established pattern, the rational level of this overheating has been determined. That resolves the tasks of manufacturing highly heat-conducting nanocomposites and implementing appropriate energy-saving technology. Data have been acquired on the effects of the impact of the amount of polymer melt overheating on the values of the first and second percolation thresholds for the examined nanocomposites. It is established that the value of the first percolation threshold is more sensitive to the specified amount of overheating. The dependences of the density of the examined composites on the level of polymer melt overheating have been derived. The correlation between a given dependence and the nature of a corresponding change in the thermal conductivity of the composites has been established. Applying the proposed highly heat-conducting nanocomposites is promising for micro and nanoelectronics, energy, etc.Выполнены экспериментальные исследования по установлению зависимости теплопроводности нанокомпозитов на основе полипропилена, наполненного углеродными нанотрубками, от основного параметра температурного режима их получения – уровня перегрева расплава полимера относительно температуры его плавления. Исследования проведены для нанокомпозитов, полученных с использованием метода, базирующегося на смешении компонентов в расплаве полимера с применением специального дискового экструдера. В процессе получения композитов уровень перегрева расплава изменялся от 10 до 75 K при варьировании массовой доли наполнителя от 0,3 до 10,0 %. Показано, что увеличение перегрева расплава полимера обусловливает повышение теплопроводности композитов. Однако по достижении определенного значения отмеченного перегрева его дальнейший рост не обеспечивает увеличение теплопроводности нанокомпозитов. На основе установленной закономерности определен рациональный уровень данного перегрева. Последний отвечает задачам получения высокотеплопроводных нанокомпозитов и реализации соответствующей энергосберегающей технологии. Получены данные об эффектах влияния величины перегрева расплава полимера на значения первого и второго перколяционных порогов для рассматриваемых нанокомпозитов. Установлен факт большей чувствительности значения первого перколяционного порога к величине указанного перегрева. Определены зависимости плотности изучаемых композитов от уровня перегрева расплава полимера. Установлено наличие корреляции данной зависимости и характера соответствующего изменения теплопроводности композитов. Использование предлагаемых высокотеплопроводных нанокомпозитов является перспективным для микро- и наноэлектроники, энергетики и пр.Виконано експериментальні дослідження зі встановлення залежності теплопровідності нанокомпозитів на основі поліпропілену, наповненого вуглецевими нанотрубками, від основного параметра температурного режиму їхнього отримання – рівня перегріву розплаву полімеру стосовно температури його плавлення. Дослідження проведено для нанокомпозитів, отриманих з використанням методу, що базується на змішуванні компонентів в розплаві полімеру із застосуванням спеціального дискового екструдера. У процесі отримання композитів рівень перегріву розплаву змінювався від 10 до 75 K при варіюванні масової частки наповнювача від 0,3 до 10,0 %. Показано, що збільшення перегріву розплаву полімеру зумовлює підвищення теплопровідності композитів. Однак після досягнення певної величини зазначеного перегріву його подальше зростання не забезпечує збільшення теплопровідності нанокомпозитів. На основі встановленої закономірності визначено раціональний рівень даного перегріву. Останній відповідає завданням отримання високотеплопровідніих нанокомпозитів і реалізації відповідної енергозберігаючої технології. Отримано дані щодо ефектів впливу величини перегріву розплаву полімеру на значення першого і другого перколяційних порогів для розглянутих нанокомпозитів. Встановлено факт більшої чутливості значення першого перколяційного порога до величини зазначеного перегріву. Визначено залежності щільності досліджуваних композитів від рівня перегріву розплаву полімеру. Встановлено наявність кореляції цієї залежності і характеру відповідної зміни теплопровідності композитів. Використання пропонованих високотеплопровідних нанокомпозитів є перспективним для мікро- і наноелектроніки, енергетики та ін

Встановлення впливу типу мікро- та нанонаповнювачів на теплофізичні властивості високотеплопровідних полімерних композитів на основі поліаміду 6

The object of this study is the thermophysical properties of polymer micro- and nanocomposites, as well as the dependence of their heat conductivity with structural characteristics when using different types of fillers. A set of experimental studies of heat conductivity and specific heat capacity of polymer micro- and nanocomposite materials for polyamide 6 and carbon nanotubes, copper and aluminum as matrix and fillers was carried out. When obtaining composites, a method was used that is based on the mixing of components in the polymer melt. The content of fillers varied from 0.3 to 10 %, and the temperature of composite materials – from 305 to 500 K. Experimental dependences of heat conductivity coefficients of the studied composites on the content of the filler were derived. It was established that according to the value of these coefficients in order of their reduction, these composite materials are ranked as follows: composites with fillers with carbon nanotubes, copper, and aluminum. It was found that only one percolation threshold is observed, when using a polyamide 6 matrix. The regularities of changes in the specific heat capacity of the composites under consideration on their temperature when varying within the above limits of the filler content were investigated. The analysis of the influence of the content of fillers on the degree of crystallinity of the polymer matrix of the investigated composite materials was carried out. It is shown that with an increase in the content of fillers, the degree of crystallinity decreases. The relationship between the thermally conductive properties of the composites under consideration and the specified degree of crystallinity has been established. Higher values of heat conductivity of composites correspond to lower values of the degree of crystallinity. The reported results can be widely used in the development of highly heat conductive composites for various engineering applications.Об'єктом дослідження є теплофізичні властивості полімерних мікро- та нанокомпозитів, а також взаємозв'язок їх теплопровідності зі структурними характеристиками при використанні різних типів наповнювачів. Виконано комплекс експериментальних досліджень теплопровідності і питомої теплоємності полімерних мікро- і нанокомпозиційних матеріалів для поліаміда 6 та вуглецевих нанотрубок, міді і алюмінію в якості матриці і наповнювачів. При отриманні композитів застосовувався метод, який базується на змішуванні компонентів у розплаві полімеру Вміст наповнювачів змінювався від 0,3 до 10 %, температура композиційних матеріалів – від 305 до 500 K. Одержано експериментальні залежності коефіцієнтів теплопровідності досліджуваних композитів від вмісту наповнювача. Встановлено, що за значенням цих коефіцієнтів у порядку їх зменшення вказані композиційні матеріали ранжуються таким чином: композити з наповнювачами з вуглецевими нанотрубками, міддю та алюмінієм. Виявлено, що при застосуванні матриці з поліаміду 6 спостерігається тільки один поріг перколяції. Досліджено закономірності зміни питомої теплоємності композитів, що розглядаються, від їх температури при варіюванні в вищевказаних межах вмісту наповнювачів. Виконано аналіз впливу вмісту наповнювачів на ступінь кристалічності полімерної матриці досліджуваних композиційних матеріалів. Показано, що зі збільшенням вмісту наповнювачів ступінь кристалічності зменшується. Встановлено залежність між теплопровідними властивостями композитів, що розглядаються, і вказаним ступенем кристалічності. Більшим значенням теплопровідності композитів відповідають нижчі величини ступеня кристалічності. Отримані результати можуть широко використовуватися при розробці композитів високотеплопровідних для різних інженерних додаткі

Встановлення закономірностей впливу на питому теплоємність та температуропровідність полімерних нанокомпозитів комплексу визначальних параметрів

This paper reports a series of experimental studies to establish regularities of the integrated effect exerted on the specific heat capacity of polymer nanocomposites by such factors as the temperature regime of their production, the value of the mass fraction of the filler, and the temperature of the composite material. The studies were conducted for nanocomposites based on polypropylene filled with carbon nanotubes. When obtaining composites, the method of mixing the components in the melt of the polymer was used. During the studies, the temperature of nanocomposites varied from 295 to 455 K, the mass fraction of the filler ‒ from 0.3 to 10 %. The basic parameter of the technological mode for obtaining composite materials, the value of overheating the polymer melt relative to its melting point, varied in the range of 10...75 K. It is shown that the temperature dependence of the specific heat capacity of the considered composites is sensitive to changes in the overheating of the polymer melt only in the region maximum values of the specific heat capacity. Concentration dependences of the specific heat capacity of the considered nanocomposites at different values of their temperature and the level of overheating of the polymer melt have been built. The studies have been carried out to identify the effects of the influence of the above parameters on the coefficient of thermal diffusivity of nanocomposites. It has been established, in particular, that an increase in the level of overheating the polymer could lead to a very significant increase in the coefficient of thermal diffusivity, which is all the more significant the higher the proportion of filler and the lower the temperature of the composite material. It is shown that the level of overheating the polymer melt relative to its melting point is a parameter that can be used as the basis for the creation of polymer composite materials with specified thermophysical properties.Выполнен цикл экспериментальных исследований по установлению закономерностей комплексного влияния на удельную теплоемкость полимерных нанокомпозитов таких факторов, как температурный режим их получения, величина массовой доли наполнителя и температура композиционного материала. Исследования проведены для нанокомпозитов на основе полипропилена, наполненного углеродными нанотрубками. При получении композитов использовался метод смешения компонентов в расплаве полимера. В ходе исследований температура нанокомпозитов изменялась от 295 до 455 K, массовая доля наполнителя – от 0,3 до 10 %. Основной параметр технологического режима получения композиционных материалов – величина перегрева расплава полимера относительно температуры его плавления –варьировалась в диапазоне 10…75 K. Показано, что температурная зависимость удельной теплоемкости рассматриваемых композитов является чувствительной к изменению перегрева расплава полимера только в области ее  максимальных значений. Получены концентрационные зависимости удельной теплоемкости рассматриваемых нанокомпозитов при различных значениях их температуры и уровня перегрева расплава полимера. Выполнены исследования по выявлению эффектов влияния указанных выше параметров на коэффициент температуропроводности нанокомпозитов. Установлено, в частности, что увеличение уровня перегрева полимера может приводить к весьма значительному повышению коэффициента температуропроводности, которое оказывается тем более существенным, чем выше доля наполнителя и ниже температура композиционного материала. Показано, что уровень перегрева расплава полимера относительно температуры его плавления является параметром, который может быть положен в основу создания полимерных композиционных материалов с заданными теплофизическими свойствамиВиконано цикл експериментальних досліджень щодо встановлення закономірностей комплексного впливу на питому теплоємність полімерних нанокомпозитів таких факторів, як температурний режим їх отримання, величина масової частки наповнювача і температура композиційного матеріалу. Дослідження проведено для нанокомпозитів на основі поліпропілену, наповненого вуглецевими нанотрубками. При отриманні композитів використовувався метод змішування компонентів у розплаві полімеру. В ході досліджень температура нанокомпозитів змінювалася від 295 до 455 K, масова частка наповнювача – від 0,3 до 10 %. Основний параметр технологічного режиму одержання композиційних матеріалів – величина перегріву розплаву полімеру відносно температури його плавлення – варіювалася в діапазоні 10...75 K. Показано, що температурна залежність питомої теплоємності розглянутих композитів є чутливою до зміни перегріву розплаву полімеру тільки в області її максимальних значень. Отримано концентраційні залежності питомої теплоємності розглянутих нанокомпозитів при різних значеннях їх температури і рівня перегріву розплаву полімеру. Виконано дослідження щодо виявлення ефектів впливу зазначених вище параметрів на коефіцієнт температуропровідності нанокомпозитів. Встановлено, зокрема, що збільшення рівня перегріву полімеру може призводити до значного підвищення коефіцієнта температуропровідності, яке є тим суттєвішим, чим вище частка наповнювача і нижче температура композиційного матеріалу. Показано, що рівень перегріву розплаву полімеру відносно температури його плавлення є параметром, який може бути покладений в основу створення полімерних композиційних матеріалів із заданими теплофізичними властивостям

Вплив на теплофізичні властивості нанокомпозитів тривалості змішування компонентів у розплаві полімеру

A set of experimental studies has been carried out to establish the effect of the mixing time of components of nanocomposite materials on their thermal conductivity, specific heat, and density. The physical properties of polypropylene-carbon nanotube composites were to be studied. During the experiments, the duration of mixing of the components in the melt of the polymer varied from 5 to 52 minutes, the mass fraction of the filler ‒ in the range of 0.3...10 %, and nanocomposite temperature – from 290 K to 475 K. It was found that an increase in the mixing time of components of nanocomposite materials could lead to a significant (more than 70 times) increase in their thermal conductivity. It is also shown that the influence of the specified time is limited to its value equal to 27 minutes, above which the change in the thermal conductivity of nanocomposites can be neglected. It was found that the sensitivity of the thermal conductivity of nanocomposites to the time of mixing of their components decreases with a decrease in the mass fraction of the filler. Temperature dependences of the specific heat capacity of the studied composites were obtained by varying the mixing time of their components and the mass fraction of the filler. It was found that with an increase in the specified time, there is a decrease in the heat capacity of nanocomposites, which is significantly manifested only in the region of temperatures close to the melting point of the composite matrix. It is shown that the dependence of the density of nanocomposites on the mixing time of their components in qualitative terms is similar to the corresponding dependence for their thermal conductivity. The obtained data can be used to choose the mixing time of components of nanocomposite materials in the development of appropriate technology for their productionВиконано комплекс експериментальних досліджень щодо встановлення впливу часу змішування компонентів нанокомпозиційних матеріалів на їхню теплопровідність, питому теплоємність та густину. Дослідженню підлягали фізичні властивості композитів «поліпропілен-вуглецеві нанотрубки». При проведенні експериментів тривалість змішування компонентів у розплаві полімеру змінювалася від 5 до 52 хв, масова частка наповнювача – у діапазоні 0,3…10 % і температура нанокомпозитів – від 290 К до 475 К. Встановлено, що збільшення часу змішування компонентів нанокомпозиційних матеріалів може призводити до суттєвого (більш ніж 70 разів) підвищення їх теплопровідності. Показано також, що вплив зазначеного часу обмежується його значенням 27 хв, при перевищенні якого зміною теплопровідності нанокомпозитів можна знехтувати. Встановлено, що чутливість теплопровідності нанокомпозитів до часу змішування їх компонентів знижується зі зменшенням масової частки наповнювача. Отримано температурні залежності питомої теплоємності досліджуваних композитів при варіюванні часу змішування їх компонентів та масової частки наповнювача. Встановлено, що при підвищенні зазначеного часу має місце зменшення теплоємності нанокомпозитів, яка суттєво проявляється лише в області температур, близьких до температури плавлення композиційної матриці. Показано, що залежність густини нанокомпозитів від часу змішування їх компонентів у якісному відношенні є подібною до відповідної залежності для їх теплопровідності. Отримані дані можуть використовуватися для вибору часу змішування нанокомпозиційних компонентів матеріалів при розробці відповідної технології їх отриманн

Establishment of Regularities of Influence on the Specific Heat Capacity and Thermal Diffusivity of Polymer Nanocomposites of A Complex of Defining Parameters

This paper reports a series of experimental studies to establish regularities of the integrated effect exerted on the specific heat capacity of polymer nanocomposites by such factors as the temperature regime of their production, the value of the mass fraction of the filler, and the temperature of the composite material. The studies were conducted for nanocomposites based on polypropylene filled with carbon nanotubes. When obtaining composites, the method of mixing the components in the melt of the polymer was used. During the studies, the temperature of nanocomposites varied from 295 to 455 K, the mass fraction of the filler ‒ from 0.3 to 10 %. The basic parameter of the technological mode for obtaining composite materials, the value of overheating the polymer melt relative to its melting point, varied in the range of 10...75 K. It is shown that the temperature dependence of the specific heat capacity of the considered composites is sensitive to changes in the overheating of the polymer melt only in the region maximum values of the specific heat capacity. Concentration dependences of the specific heat capacity of the considered nanocomposites at different values of their temperature and the level of overheating of the polymer melt have been built. The studies have been carried out to identify the effects of the influence of the above parameters on the coefficient of thermal diffusivity of nanocomposites. It has been established, in particular, that an increase in the level of overheating the polymer could lead to a very significant increase in the coefficient of thermal diffusivity, which is all the more significant the higher the proportion of filler and the lower the temperature of the composite material. It is shown that the level of overheating the polymer melt relative to its melting point is a parameter that can be used as the basis for the creation of polymer composite materials with specified thermophysical properties