Воздействие вакуумного ультрафиолета на полимерные композиты терморегулирующего назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ВОЗДЕЙСТВИЕ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТА НА ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Черкашина Н.И.

Кандидат технических наук

Аннотация

В статье рассмотрена кинетика потери массы (газовыделения) терморегулирующих покрытий на основе полимерных композитов при воздействии вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Облучение ВУФ проводилось в лаборатории «Космических исследований» при БГТУ им. В.Г. Шухова на специальном оборудовании, собранном в ООО «Вакуумные системы и электроника» (г. Новосибирск, Россия).

Ключевые слова: полимеры, кинетика, газовыделение.

Abstract

IMPACT VACUUM ULTRAVIOLET FOR POLYMER COMPOSITES THERMOSTATIC APPOINTMENTS

The article describes the kinetics of weight loss (gassing) thermostatic coatings based on polymer composites under the influence of vacuum ultraviolet (VUV). EUV irradiation was performed in the laboratory of “Space Science” at BSTU named after V.G. Shoukhov on special equipment, assembled in LLC “Vacuum Systems and Electronics” (Novosibirsk, Russia).

Keywords: polymers, kinetics, gassing.

Основная часть

В настоящее время огромное внимание уделяется исследованиям по разработке радиационно-защитных и радиационно-стойких материалов [1-13], особенно для космических целей [14-16]. Известно, что в космосе на материалы космических летательных объектов действует ряд негативных факторов, значительно ухудшающих свойства используемых материалов [17-18]. Наибольшее негативное влияние на полимеры в космосе оказывает вакуумный ультрафиолет (ВУФ), в частности на терморегулирующие покрытия, изменяя шероховатость поверхностей и как следствие их оптические характеристики (степень поглощения солнечного излучения и интегральный коэффициент отражения), причем органические вещества менее устойчивы к такому воздействию нежели неорганические [19-22]. Глубина проникновения ВУФ будет определяться особенностями его поглощения в зависимости от структуры используемого полимера [23-39].

Значительное количество исследований было посвящено изучению влияния ионизирующего излучения (ВУФ), мощности, времени экспозиции и длины волны источника на изменение морфологии и свойств поверхности полимерных материалов [30]. Показано, что в зависимости от условий воздействия на поверхности полимеров может сформироваться рельеф в виде ряби, неровностей гранулярного типа либо периодических структур [30].

Большинство исследований облучения ВУФ проводилось для случаев, когда образцы подвергались воздействию потоков излучения от экспериментальных источников в воздушных условиях, т.е. в присутствии кислорода. В таких условиях происходит расщепление молекулы О₂на молекулы атомарного кислорода и дальнейшая бомбардировка поверхности происходит атомарным кислородом. Известно, что при воздействии атомов О происходит эрозия поверхности материала и процесс отбеливания, сопровождающийся радиационно-стимулированной диффузией кислорода внутрь материала и приводящий к частичному восстановлению оптических свойств, деградирующих под действием ВУФ. В подобных работах нельзя оценить влияние исключительно ВУФ на свойства поверхностного слоя материала. В меньшей степени изучено влияние на полимеры потоков излучения в вакууме. Так же отметим, что практически отсутствуют работы по исследованию влияния ВУФ с длиной волны менее 150 нм на полимерные композиты.

В данной работе изучалось воздействие вакуумного ультрафиолета на полимерные композиты терморегулирующего назначения. В качестве матрицы для синтеза полимерных композитов в работе использовали полиалканимид, а в качестве наполнителя модифицированный алюмосилсесквиоксаном вольфрамат свинца.

Облучение ВУФ проводилось в лаборатории «Космических исследований» при БГТУ им. В.Г. Шухова на специальном оборудовании, собранном в ООО «Вакуумные системы и электроника» (г. Новосибирск, Россия). полиалканимидный композит терморегулирующий полимерный

Исследования к воздействию ВУФ на синтезированные композиты оценивали согласно ГОСТ Р 25645.338-96, в котором прописана методика и способы определения стойкости к данному виду облучения.

Исследуемые полиалканимидные композиты, с разным содержанием модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца, помещались в экспериментальную установку по облучению ВУФ, затем в течение шестидесяти минут происходило обезгаживание материала под воздействием вакуума, т.е. низкого давления 5·10^-6 Па. Эксперимент по обработке ионизирующим излучением проводили в течении одних суток. Измерялись такие показания как потеря массы после облучения по сравнению с исходной массой образца. Измерения массы каждого образца в процессе облучения производили через каждые 180 минут обработки. Вначале проводили эксперимент при комнатной температуре 20-22 °С, а затем при повышенной ориентировочно 115-130 °С. Кинетика потери массы чистого полиалканимида при комнатной (20-22 °С) и повышенной (115-130 °С) представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Зависимость потери массы чистого полиалканимида от времени воздействия вакуумного ультрафиолета

По данным рисунка 1 установлено, что зависимость потери массы (газовыделение) чистого полиалканимида в процессе облучения приобретает пологий характер, а кривые потери массы с возрастанием времени выдержки начинают замедляться. При значениях комнатной температуры 20-22 °С к 21 часу прекращается газовыделение полиалканимида и его максимальное значение равно 0,56 % от первоначального. В результате воздействия при более высокой температуре 115-130 °С, заметно что газовыделение увеличивается, по сравнению с газовыделением после облучения при комнатной температуре. При повышенной температуре 115-130 °С к 18 часам прекращается газовыделение полиалканимида и егомаксимальное значение равно 0,59 % от первоначального. Таким образом, при повышении температуры облучения газовыделение увеличивается не более чем на 5,3 %. Это говорит о термостабильности свойств полимера при данной температуре.

На рисунке 2 представлена зависимость потери массы (газовыделение) композита с 30 % содержанием наполнителя - модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца после обработки ВУФ.

Рис. 2 Зависимость потери массы рассматриваемого композита с 30 % содержанием модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца от времени нахождения в камере

Анализ рисунка 2 показал, что кинетика газовыделения композита с 30 % содержанием модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца в процессе облучения приобретает пологий характер, а кривые газовыделения при увеличении времени выдержки начинают замедляться. При комнатной температуре 20-22 °С к 21 часу прекращается газовыделение исследуемого композита и его максимальное значение равно 0,47 % от первоначального. При облучении при более высокой температуре 115-130 °С, заметно что газовыделение увеличивается, по сравнению с газовыделением при комнатной температуре. При повышенной температуре к 21 часу полностью прекращается газовыделение исследуемого композита и его максимальное значение равно 0,49 % от первоначального. Таким образом, при повышении температуры облучения газовыделение увеличивается не более чем на 4,2 %. Анализ рисунков 1 и 2 показал, что введение модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца значительно снижает газовыделение при воздействии ВУФ, приблизительно на 20 %.

На рисунке 3 представлена зависимость потери массы (газовыделение) композита с 65% содержанием модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца после обработки ВУФ.

Рис. 3 Зависимость потери массы рассматриваемого композита с 65 % содержанием модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца от времени нахождения в камере

Анализ рисунка 3 показал, что кинетика газовыделения композита с 65 % содержанием модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца в процессе облучения приобретает пологий характер, а кривые газовыделения при увеличении времени выдержки начинают замедляться. При комнатной температуре 20-22 °С к 18 часам прекращается газовыделение в композите и его максимальное значение равно 0,38 % от первоначального. При облучении при более высокой температуре 115-130 °С, заметно что газовыделение увеличивается, по сравнению с газовыделением при облучении при обычной температуре. При повышенной температуре 115-130 °С к 18 часам прекращается газовыделение в композите и его максимальное значение равно 0,41 % от первоначального. Таким образом, при повышении температуры облучения потеря массы (газовыделение) увеличивается не более чем на 7,8 %. Анализ рисунков 1-3 показал, что введение модифицированного алюмосилсесквиоксаном вольфрамата свинца значительно снижает газовыделение при воздействии ВУФ. По сравнению с чистым полиалканимидом, композит с 65 % содержанием теряет на 40 % меньше массы при воздействии вакуумного ультрафиолета.

Согласно 25645.338-96 для элементов космических аппаратов, находящихся на внешней стороне летательного аппарата потеря массы при обработке вакуумным ультрафиолетом не должна превышать 1 % при общем времени выдержки 24 часа. Анализ проведенных данных показал, что общая потеря массы для всех представленных составов композитов не превысила допустимого порога, в частности при температуре 115-130 °С максимальная потеря массы - 0,44 мас. %.

Литература

1. Павленко В. И. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов / Павленко В. И., Епифановский И. С., Ястребинский Р. Н. // Перспективные материалы. 2006. № 3. С. 22.

2. Использование высокодисперсного оксида алюминия для синтеза радиационно-стойких полимерных композитов / Р.Н. Ястребинский, Ю.М. Самойлова, В.И. Павленко, О.В. Демченко // Успехи современного естествознания. 2015. № 9-3. С. 532-535.

3. Ястребинский Р.Н. Использование нанотрубчатых структур для синтеза радиационно-защитных экранов / Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, О.В. Демченко // Успехи современного естествознания. 2015. № 10. С. 52-55.

4. Павленко В.И. Полимерные радиационно-защитные композиты: Монография / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н..Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. 199 с.

5. Использование тяжелых металлов при разработке материалов для защиты от корпускулярного излучения / Турова А.А., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 12-7. С. 1183-1186.

6. Павленко В.И. Захоронение радиоактивных отходов с использованием железорудного минерального сырья / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, З.В. Павленко // Успехи современного естествознания. 2015. № 9-3. С. 511-514.

7. Ястребинская А.В. Коррозионностойкие полимеркомпозиты на основе эпоксидных и полиэфирных олигомеров для строительства / А.В. Ястребинская, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский // Перспективы развития строительного комплекса. 2012. Т. 1. С. 243-247.

8. Радиационно-защитные транспортные контейнеры отработавшего ядерного топлива на основе высоконаполненной полимерной матрицы и железорудного сырья КМА / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, П.В. Матюхин и др. // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. С. 320-330.

9. Ястребинская А.В. Разработка и применение композиционного материала на основе эпоксидиановой смолы для строительных конструкций и теплоэнергетики / А.В. Ястребинская, Л.Ю. Огрель // Современные наукоемкие технологии. 2004. № 2. С. 173.

10. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, А.А. Смоликов и др.// Перспективные материалы. 2006. № 2. С. 47-50.

11. Павленко В.И. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 48-49.

12. Павленко В. И. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации быстрыми нейтронами и гамма-излучением / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Инженерно-физический журнал. 2008. Т. 81. № 4. С. 661-665.

13. Радиационно-защитный бетон для АЭС c РБМК на основе железо-серпентинитовых композиций с цементным связующим / В.И. Павленко, А.А. Смоликов, Р.Н. Ястребинский и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2004. № 8. С. 66.

14. Механическая активация полимерных диэлектрических композиционных материалов в непрерывном режиме / А.В. Ястребинская, В.И. Павленко, П.В. Матюхин, Д.В. Воронов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 74-77.

15. Композиционный материал для защиты от гамма-излучения/ Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, П.В. Матюхин, Н.А. Четвериков // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 17-20.

16. Павленко В.И. Конструкционные композиционные материалы для радиационной защиты / Павленко В. И., Епифановский И. С., Ястребинский Р. Н., Куприева О. В. // Перспективные материалы. 2010. № 6. С. 22-28.

17. Павленко В. И. Высокодисперсные органосвинецсилоксановые наполнители полимерных матриц / Павленко В. И., Ястребинская А. В., Павленко З. В., Ястребинский Р. Н. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2010. № 2. С. 99-103.

18. Павленко В.И. Полимерные диэлектрические композиты с эффектом активной защиты / Павленко В. И., Ястребинский Р. Н., Ястребинская А. В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 62-66.

19. Павленко В.И. Расчеты процессов прохождения гамма-квантов через полимерный радиационно-защитный композит / Павленко В. И., Липканский В. М., Ястребинский Р.Н. // Инженерно-физический журнал. 2004. Т.77, №1. С.12-15.

20. Yastrebinskii R.N. Transport packing set for radioactive waste based on a radiation-protective polymeric matrix / N. Yastrebinskii, V.I. Pavlenko, G.G. Bondarenko // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Т. 6. №5. С. 473-478.

21. Павленко В.И. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья / Павленко В. И., Воронов Д. В., Ястребинский Р. Н. // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 4. С. 40-42.

22. Pavlenko V.I. Modeling of processes of interaction of high-energy radiations with radiation-protective oxide of iron composites / V.I. Pavlenko, R. N. Yastrebinskij, S. V. Degtyarev // Электромагнитные волны и электронные системы. 2005. Т. 10, № 1-2. С. 46-51.

23. Структурообразование металлоолигомерных водных дисперсий/ Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, А.В. Ястребинская, П.В. Матюхин // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 2. С. 121-123.

24. Ястребинская А. В. Модифицированный конструкционный стеклопластик на основе эпоксидных олигомеров для строительных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород. Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. 19 с.

25. Моделирование прохождения высокоэнергетических электронов в высоконаполненном полимерном композите / И.В. Соколенко, Р.Н. Ястребинский, А.А. Крайний и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №6. С.145-148.

26. Ястребинский Р.Н. Транспортный упаковочный комплект для радиоактивных отходов на основе радиационно-защитной полимерной матрицы / Р.Н. Ястребинский, Г.Г. Бондаренко, В.И. Павленко // Перспективные материалы. 2015. № 6. С. 25-31.

27. Thermoplastic constructional composite material for radiation protection / V.I. Pavlenko, R.N. Yastrebinskii, O.V. Kuprieva, I.S. Epifanovskii // Inorganic Materials: Applied Research. 2011. Т. 2, № 2. С. 136-141.

28. 28. Pavlenko V.I. Simulation of the processes of gamma-radiation transport through shielding containers for radioactive waste / V.I. Pavlenko, R.N. Yastrebinskii, V.M. Lipkanskii // Russian Physics Journal. 2003. Т. 46, №10. С.1062-1065.

29. Конструкционные радиационно-защитные композиционные материалы на основе модифицированных железорудных пород КМА / Р.Н. Ястребинский, В. И. Павленко, П.В. Матюхин и др. // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015.С. 491-499.

30. Гасанов С.К. Использование вакуумного ультрафиолета для уменьшения шероховатости поверхности полимерных композитов / С.К. Гасанов, Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко // Успехи современного естествознания. 2015. № 10. С. 11-14.

Размещено на Allbest.ru