Исследование воздействия микроволнового излучения на эксплуатационные характеристики изоляционных материалов на основе поливинилхлорида

Полная исследовательская публикация ______ Шулаев Н.С., Сулейманов Д.Ф. и Абуталипова Е.М.

Размещено на http://www.allbest.ru/

32 _______ http://butlerov.com/ _______ ©--Butlerov Communications. 2015. Vol.42. No.5. P.31-35. (English Preprint)

Тематический раздел: Исследование эффектов физических полей. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Физико-химия полимеров. Регистрационный код публикации: 15-42-5-31

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2015. Т.42. №5. _________ 31

Уфимский государственный нефтяной технический университет,

филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Стерлитамаке

Исследование воздействия микроволнового излучения на эксплуатационные характеристики изоляционных материалов на основе поливинилхлорида

Шулаев Николай Сергеевич,

Сулейманов Дамир Фанилевич

и Абуталипова Елена Мидхатовна

Аннотация

В представленной статье приводятся результаты экспериментального исследования изменения свойств поливинилхлорида при относительно низких (не приводящих к значительному повышению температуры) дозах поглощенной энергии сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (СВЧ ЭМИ). Актуальность таких исследований обусловлена с одной стороны, широким использованием данного полимера при изготовлении различных изделий, в частности, для крупнотоннажного производства изолирующих покрытий трубопроводных систем, а с другой, относительно высоким (по сравнению с другими полимерами) показателем поглощения излучения СВЧ-диапазона. Из экспериментальных исследований следует, что при удельной поглощенной энергии менее 10 кДж/кг наблюдается незначительное увеличение прочностных свойств, а при дозе более 30 кДж/кг их снижение по сравнению с немодифицированным образцом. В интервале энергий от 15 до 20 кДж/кг наблюдается увеличение действительной разрывной нагрузки более чем в 1.5 раза. Кроме того, установлено, что в указанном интервале доз облучения СВЧ ЭМИ объемное удельное электрическое сопротивление, определяемое наличием в полимере свободных зарядов и их подвижностью, принимает максимальное значение. С увеличением удельного электрического сопротивления наблюдается снижение свободных зарядов, из-за образования дополнительных связей и конформационных изменений макромолекул, что приводит к увеличению разрывной прочности. Определено, что в интервале доз облучения 10-20 кДж/кг наблюдается уменьшение влагопоглощения в два раза. Уменьшение влагопоглощения можно объяснить увеличением плотности пространственной сетки макромолекул полимера из-за образования поперечных связей. При этом скорость набухания снижается, что свидетельствует о возникновении более жесткой структуры модифицированного полимера. Экспериментально доказана принципиальная возможность использования СВЧ излучения для проведения целенаправленной модификации структуры полярных полимеров, обеспечивающей улучшение их физико-механических свойств. Как показывают оценки, предлагаемый способ повышения эксплуатационных характеристик менее энергоемок и более экологичен по сравнению с традиционным способом упрочнения изделий из поливинилхлорида.

Ключевые слова: микроволновое излучение, поливинилхлорид, разрывная нагрузка, влагопоглощение, электрическое сопротивление.

Введение

полимерный поливинилхлорид электромагнитный излучение

Улучшение физико-механических свойств полимерных материалов является актуальный проблемой, решение которой позволяет существенно повысить качество и срок эксплуатации изделий из них. В последние годы опубликовано большое количество работ, в которых приводятся результаты успешного применения сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (СВЧ ЭМИ) для модификации физико-механических свойств полимерных материалов [1]. При этом наибольший интерес представляет так называемая нетепловая модификация полимеров, когда количество энергии СВЧ ЭМИ поглощенного веществом не приводит к существенному изменению температуры материала, но при этом наблюдается значительное изменение физико-механических свойств. В представленной работе приводятся результаты экспериментального исследования изменения свойств поливинилхлорида при различных дозах поглощенной энергии СВЧ ЭМИ. Актуальность таких исследований обусловлена, с одной стороны, широким использованием данного полимера при изготовлении различных изделий, в частности, для крупнотоннажного производства изолирующих покрытий трубопроводных систем [2], а с другой, относительно высоким (по сравнению с другими поли-мерами) показателем поглощения излучения СВЧ-диапазона. Так, например, как следует из экспериментальных данных приведенных в работе [3], характерная глубина проникновения СВЧ ЭМИ в вещество полимера, при которой вектор напряженности электрического поля уменьшается в е раз (е?2.7 - основание натурального логарифма) при частоте излучения 2.45 ГГц составляет для поливинилхлорида ~10 см, полиэтилентефталата ~28 см, полипропилен ~ 34 см, полиэтилен ~41 см.

Экспериментальная часть

Экспериментальная установка по исследованию взаимодействия поливинилхлорида с СВЧ ЭМИ состояла из СВЧ-генератора с изменяемой выходной мощностью до 1 кВт с частотой излучения 2,45 ГГц, излучающей системы, рабочей камеры, согласующей нагрузки и аппаратуры для измерения мощности и температуры образца. Изменяя массу образца, время облучения и мощность излучения можно было изменять удельную (Дж/кг) дозу поглощенного излучения.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 представлена экспериментальная зависимость изменения разрывной прочности пленки из поливинилхлорида и электрического сопротивления в зависимости от удельной поглощенной энергии СВЧ ЭМИ. Измерение механических свойств, в частности, действии-тельной разрывной нагрузки проводились согласно ГОСТ 25945 и ГОСТ 2678. Абсолютное значении действительной разрывной нагрузки необлученной ПВХ-пленки составляло ~38 МПа.

Определение удельного электрического сопротивления поливинилхлоридной пленки проводилось по времени утечки заряда при постоянной влажности воздуха.

Рис. 1 Зависимость относительной разрывной прочности от удельной поглощенной энергии

Из приведенных зависимостей следует, что при удельной поглощенной энергии менее 10 кДж/кг наблюдается незначительное увеличение прочностных свойств, а при дозе более 30 кДж/кг их снижение по сравнению с немодифицированным образцом. В интервале энергий от 15 до 20 кДж/кг наблюдается увеличение действительной разрывной нагрузки более чем в 1.5 раза. Из этого же графика видно, что в указанном интервале дозы облучения СВЧ ЭМИ объемное удельное электрическое сопротивление, определяемое наличием в полимере свободных зарядов и их подвижностью, принимает максимальное значение. Таким образом, можно предположить, что с увеличением удельного электрического сопротивления наблюдается снижение свободных зарядов, из-за образования дополнительных связей и конформационных изменений макромолекул, что приводит к увеличению разрывной прочности.

Влагопоглощение полимерных пленок используемых для изоляционных покрытий является, наряду с механической прочностью, адгезией, одним из определяющих параметров.

На рис. 2 представлены зависимости влагопоглощения поливинилхлоридной пленки модифицированной в СВЧ электромагнитном поле от времени экспозиции. Так же как и в предыдущем случае в интервале доз облучения 10-20 кДж/кг наблюдается уменьшение влагопоглощения в два раза. Уменьшение значений можно объяснить увеличением плотности пространственной сетки макромолекул полимера из-за образования поперечных связей. При этом скорость набухания снижается, что свидетельствует о возникновении более жесткой структуры модифицированного полимера.

Рис. 2 Зависимость влагопоглощения от удельной поглощенной энергии

Для выявления механизма влияния СВЧ ЭМИ на структуру поливинилхлорида были проведены исследования методом дифференциально-сканирующей калориметрии, позволяющие определить температуру стеклования, температуру и время начала выделения хлорводорода и теплоемкость поли-мера. Экспериментальные исследования проводились с использованием прибора DSC Q200 в режиме ступенчатого нагрева со скоростью 10 ^оС/мин. Результаты экспериментов приведены на рис. 3.

Рис. 3 Зависимость времени и температуры начала выделение хлорводорода от удельной поглощенной энергии

Как видно из приведенных графиков в интервале доз от 12 до 23 кДж/кг наблюдается увеличение времени и температуры начала выделения хлорводорода. Увеличение времени дегидро-хлорирования ПВХ-пленки позволяет сделать вывод, что повышение механической прочности в данном интервале доз облучения СВЧ ЭМИ происходит не за счет выделения хлорводорода, а механизмов связанных с образованием дополнительных межмолекулярных связей под действием электромагнитного поля.

Из результатов экспериментов по взаимодействию поливинилхлорида с электромагнитным излучением сверхвысокочастотного диапазона следует, что существует интервал доз облучения 10-20 Дж/кг, при которой наблюдается возникновение дополнительных связей между макромолекулами полимера и их конформационные изменения, приводящие к увеличению механической прочности, электрического сопротивления и уменьшению влагопоглощения.

Для подтверждения этого утверждения проводили исследование строения полимерных изоляционных материалов по изображениям их структуры (рисунок 4), полученным при помощи зондового сканирующего микроскопа высокого разрешения типа NT-MDT Integra Prima в атомно-силовом режиме с использованием зондов типа NSG11.

У необработанной СВЧ излучением ПВХ пленки преобладает аморфная структура (рис. 4а). Под воздействием СВЧ излучения в ПВХ изменяется ориентация боковых ответвлений его макромолекул, что способствует росту числа центров кристаллизации, упорядочению структуры и уменьшению областей свободного объема в ней.

В результате уменьшается общий объем аморфных областей структуры из-за образующейся кристаллической фазы (рис. 4б), что сопровождается повышением степени упорядоченности в расположении макромолекул полимера. Молекулы ПВХ перестраиваются в параллельные строчки, что является признаком роста его кристалличности, обеспечивающего улучшение физико-механических свойств ПВХ пленки.

Результаты данного эксперимента показали, что при воздействии на ПВХ СВЧ ЭМИ возникают «новые» надмолекулярные образования, обеспечивающие улучшение физико-механических свойств полимерного материала, главной причиной их возникновения является движение полимерных цепей внутри кристаллических образований инициированных электромагнитным воздействием.

а)

б)

Рис. 4 Изображения структуры ПВХ пленки. 1 - аморфная область; 2 - область кристаллизации; а - без СВЧ обработки; б - после СВЧ обработки (15 кДж/кг)

Выводы

Экспериментально доказана принципиальная возможность использования СВЧ излучения для проведения целенаправленного перестроения структуры полярных полимеров, обеспечивающего улучшение их физико-механических свойств. Кроме того, предлагаемый способ улучшения эксплутационных характеристик менее энергоемок и более экологичен по сравнению с традиционным способом упрочнения [4], при котором энергетические затраты составляют ~40-80 кДж/кг. Это создает возможность разработки эффективной технологии [5] и аппаратов [6-8] с применением электромагнитного излучения для улучшения эксплутационных характеристик изделий из поливинилхлорида.

Литература

1. Калганова С.Г. Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.09.10. Электротехнология. Саратов. 2009.

2. Басиев К.Д., Бигулаев А.А., Кодзаев М.Ю. Механо-коррозионные процессы в грунтах и стресс-коррозия в магистральных нефтегазопроводах. Вестник владикавказского научного центра. 2005. Т. 5. №1. С.47-53.

3. Шулаев Н.С., Абакачева Е.М., Сулейманов Д.Ф. Исследование физико-механических свойств полимерных материалов, модифицированных в электромагнитном поле СВЧ-диапазон. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. №1. С.95-98.

4. Энциклопедия полимеров. Ред. коллегия: В.А. Каргин. Т.1 А-К. М.: Сов. Энц. 1972. 1224с. с илл.

5. Патент РФ № 2461586. Способ производства полимерной пленки. Абакачева Е.М., Иванов С.П., Маликов Р.М., Сулейманов Д.Ф., Шулаев Н.С. Заявл. 05.08.2010. Опубл. 20.09.2012 Бюл. №26.

6. Патент РФ № 118818 Сверхвысокочастотная электромагнитная установка для модификации полимерных пленок. Сулейманов Д.Ф., Шулаев Н.С. и др. Заявл.27.12.2010; Опубл. 27.07.2012. Бюл.№26.

7. Патент РФ №139814 Сверхвысокочастотная электромагнитная установка для модификации полимерных пленок. Сулейманов Д.Ф., Шулаев Н.С. и др. Заявл.26.11.2013; Опубл. 27.04.2014. Бюл.№12.

8. Патент РФ №145191 Установка для нанесения изоляционного ленточного покрытия на трубопровод. Сулейманов Д.Ф., Шулаев Н.С. и др. Заявл.13.11.2013; Опубл. 10.09.2014 Бюл.№25.

Размещено на Allbest.ru