В литературных источниках практически отсутствуют данные о возможности безнагревного определения температур переходов полимера из стеклообразного в высокоэластическое и в вязкотекучее состояние, что и обусловило постановку задачи данных исследований.
Ранее [2] нами было показано, что величина начальной плотности зарядов и ее уменьшение со временем могут характеризовать структурную упорядоченность полимера, его дефектность и прочностные свойства. Все это не могло не отразиться на изменении молекулярной подвижности полимера и, в частности, на температурах, характеризующих размораживание того или иного вида молекулярного движения.
Заряд на пленки наносился в коронном разряде постоянного тока отрицательной полярности.. Поверхностная плотность заряда и ее изменение со временем измерялась при помощи динамического конденсатора с вибрирующим электродом, подключенного через эмиттерный повторитель ко входу звуковой карты ПК. Сигнал записывался в звуковой файл с расширением wav при помощи программы Sound Forge. Дальнейшая обработка сигнала проводилась путем перевода данных в табличный процессор MS Excel с построением графиков зависимости поверхностной плотности зарядов от времени релаксации.
Пленки полиимида, полиэтилентерефталата, ПЭ, ПТФЭ, ПВХ для искусственного создания дефектов структуры подвергались действию гамма и УФ-облучения. Дефектность контролировалась по концентрации субмикротрещин, определенной методом дифракции рентгеновских лучей под малыми углами, измерением электрической и механической прочности, напряжения возникновения ионизационных процессов.
Как показали эксперименты, параметр, характеризующий способность полимера к восприятию электростатических зарядов находится в тесной корреляционной зависимости с молекулярной подвижностью и, в частности, с изменением под влиянием различных дестабилизирующих факторов, температуры перехода материала из стеклообразного в высокоэластическое состояние (Тст). Можно предположить, что повышение структурной однородности, процессы образования пространственно-сшитых структур, ведущих к росту структурной упорядоченности и к понижению концентрации глубинных ловушек ведут к увеличению значения Q0.
Исходя из температурных зависимостей tgδ, Uип для полиимидов, ПЭ, ПТФЭ, ТЭТФ, ПВХ, фторсодержащих полимеров, температуры переходов полимеров из стеклообразного в высокоэластическое состояние, изменяемые под действием, например, облучения, фотодеструкции, изменяются качественно аналогично изменению параметра, характеризующего способность материалов к восприятию электростатических зарядов, нанесенных в коронном разряде. Типичная корреляционная зависимость между Тст и Q описывается возрастающей функцией и для всех исследованных полимеров ее форма практически не изменяется. Различие проявляется в конкретных значениях обоих параметров и угле наклона зависимости. Во всех случаях с ростом температуры стеклования увеличивалась и начальная плотность нанесенных электрических зарядов.
Исходя из данного сравнения можно сделать заключение о том, что за величины прочностных параметров, температуры перехода материала в высокоэластическое состояние и за электризуемость могут нести ответственность одни и те же структурные изменения, включающие изменение количества дефектов и молекулярной подвижности.
Данное заключение позволило распространить электростатический метод определения дефектности для неразрушающего контроля или прогнозирования изменения температуры стеклования полимеров без их нагрева. В предложенном способе для конкретного полимерного материала находят калибровочную зависимость между температурой стеклования, определенной одним из известных методов (термомеханическим, динамическим механическим, ЯМР, ДТА и т.д.), и величиной поверхностной плотности начального электрического заряда, нанесенного на полимер путем воздействия на него электрического поля, измеренной при комнатной температуре.
Для этого полимерную пленку с различной температурой стеклования (температуру стеклования можно изменять, например, воздействием гамма-излучения до различных поглощенных доз, ориентационной вытяжкой, введением активных наполнителей и т.д.) помещают между двумя металлическими электродами при комнатной температуре, подают на электроды напряжение постоянного тока, достаточное для возникновения в образце остаточного заряда, воздействуют на образец электрическим полем, отключают напряжение и определяют величину заряда, оставшегося на образце после его зарядки.
После этого находят калибровочную зависимость между величинами температуры стеклования и поверхностного заряда. Данная зависимость описывается возрастающей функцией. Имея такую зависимость для конкретного полимера, можно определять изменение температуры стеклования полимера, вызванное каким-либо фактором, например, изменением режимов технологии изготовления полимеров, концентрации пластификатора и т.д. Испытания необходимо проводить в условиях, идентичных снятию калибровочной зависимости.
Таким образом, в случае непрерывного контроля качества выпускаемой продукции или выборочном контроле ответственных участков, где применяются полимеры, например, в виде электроизоляционных покрытий, изменение Q0 сигнализирует об изменении молекулярных свойств материала или о нарушении режимов данной технологии.
Развитием данного метода явился способ определения температур переходов в полиимидах, основанный на обнаруженном явлении молекулярного отклика полимерных молекул к действию электрического поля при различных температурах. Оказалось, что при различные температурные обработки, такие как отжиг в течение определенного времени или просто нагрев до определенных температур, по разному влияют на дальнейшую способность полимера к восприятию и сохранению электростатических зарядов при комнатной температуре. Нами обнаружено, что электростатическим методом можно определять не только Тст, но и вообще все переходы.
Для исследований полиимидные пленки ПМ-А толщиной 40 мкм и ПМ-1 толщиной 12 мкм подвешивают за один конец к зажиму и помещают в таком состоянии в термостат. Производят нагрев образцов до различных дискретных температур в интервале 293-723 К и охлаждение до комнатной температуры. Далее пленки освобождают из зажима и помещают между обкладками динамического конденсатора с вибрирующим электродом. При этом пленка не касается электродов. Измеряют величину поверхностного заряда и строят график зависимости величины заряда пленки от температуры предварительного нагрева, по которому (по экстремальным значениям) определяют температуры переходов в исследуемом материале. Зависимость заряда от температуры нагрева характеризуется наличием ряда переходов, проявляющихся «ступеньками» зависимости U = f(T), где U - напряжение на динамическом конденсаторе (величина заряда), измеренная при комнатной температуре.
Применение данного способа обеспечивает возможность проведения бесконтактных измерений без воздействия энергетического поля при комнатной температуре, а также открывает возможности для создания принципиально новых радиоэлектронных элементов и устройств записи и хранения информации на молекулярном уровне с использованием полимерных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Бартенев Г.М., Бартенева А.Г. Релаксационные свойства полимеров. - М.: Химия, 1992. - 384 с.
- Лаврентьев В.В. Деполяризационный анализ полимерных пленок и покрытий // Успехи современного естествознания. 2004, № 10, С. 86 - 88.
Работа представлена на научную конференцию с международным участием «Фундаментальные исследования», Доминиканская республика, 5-16 апреля 2006г. Поступила в редакцию 09.03.2006г
Библиографическая ссылка
Лаврентьев В.В., Шияневский Я.В. ДЕПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ В ПРОГНОЗОРОВАНИИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПЕРЕХОДОВ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК // Современные наукоемкие технологии. – 2006. – № 4. – С. 89-91;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=22660 (дата обращения: 19.04.2024).