CC BY
95
The structure of the automated systems of corrective action on the respiratory system of a person, in which the adjustment of the load to the changing of the human respiratory system. The application of the method of detecting the start of the inspiratory / expiratory activity on the basis of statistical decision theory.
Key words: characteristics of pressure, adjustable resistance, load adjustment, detection of inspiration, the statistical parameters.
Ivakhno Natalia Valerievna, candidate of technical sciences, docent, nata-lia_iv@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fedorov Sergey Sergeevich, assistant, fedorovpulmarambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chukov Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, chukov. aleksandrarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 541.64:539.2:532.64
ЦВЕТ И ПРОЗРАЧНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК ПОЛИЭТИЛЕНА В ПОЛЯРИЗОВАННОМ СВЕТЕ
И.Н. Ермакова
Дублированные пленочные материалы из прозрачных полимеров используются в упаковке продуктов питания, лекарственных средств и косметике, нуждающихся в защитной маркировке. Дублированные и многослойные пленки полиэтилена имеют в поляризованном свете различную окраску определяющуюся числом и толщиной слоев. Координаты цвета в цветовом пространстве (окраска в проходящем и отраженном поляризованном свете) существенно изменяются при термообработке. Показано влияние способа и температуры термообработки на цвет и прозрачность многослойной пленки полиэтилена низкой плотности.
Ключевые слова: пленочные упаковочные материалы, дублирование пленок, окраска, поляризация света, оптическая термомаркировка.
Упаковка товаров массового спроса выбираемых потребителями в торговых залах не редко определяется окраской и яркостью цвета, используемых материалов. Применяемые для изготовления гибкой упаковки товаров массового спроса пленки полиолефинов окрашиваются и маркируются на полиграфическом оборудовании с одновременной печатью текста и иных информационных символов (товарных знаков, логотипов и т.п.). Для защиты товаров от подделки используют различные способы печати и упаковочные материалы с особыми оптическими и механическими свойствами [1]. Для придания особых свойств пленкам из крупнотоннажных полимеров без существенного повышения их стоимости пленки модифицируют локальной термообработкой [2] или воздействием растворителей
334
на запечатываемую поверхность [3]. Наиболее экологичный и экономичной является локальная термообработка полиолефиновых пленок существенно изменяющая их оптические характеристики. Чувствительность к термообработке структур и оптических свойств пленок промышленного изготовления может быть обусловлена несколькими причинами, главными из которых являются фильерная ориентация макромолекул и неравновесность их кристаллизации при охлаждении в напряженно деформированном состоянии после экструзии расплава.
Известно, что пленки полиэтилена промышленного производства рассматриваются как неравновесно-напряженные гетерофазные системы. Показано [4], что плавление пленок из аморфно-кристаллических полимеров, а в том числе из полиэтилена, происходит не при строго определенной температуре, а в некотором интервале температур. Принято [5, 6] исходить из того, что причина этого феномена кроется в наличии у таких полимеров набора кристаллитов различных размеров, соединенных проходными цепями макромолекул. Одновременное появление фракций кристаллитов с разными температурами плавления отражает существование в кристаллизующимся полимере в определенном интервале температуры дискретного распределения проходных цепей по длине и/или их количеству в единице объема расплава. При термообработке ТО происходит перераспределение напряжений в проходных молекулах цепей и изменение габаритов кристаллитов [4].
Объекты и методы исследования. Исследовали полиэтиленовые пленки двух марок:
полиэтилен низкого давления толщиной 48,1±0,3мкм, Тпл = 107,1°С (ПЭ-1);
полиэтилен толщиной 51,9±0,6мкм, Тпл = 108,5 и 121,4°С (ПЭ-2); линейные полимерные поляроиды производства Загорского оптико-механического завода.
Методы исследования:
сборка пакета для изучения цветных эффектов в многослойных полимерных материалах осуществлялась по методике, описанной в [7];
измерение цветовых координат с помощью спектрофотометра СФ-2000 в проходящем поляризованном свете;
термообработка в камере хроматографа ЦВЕТ-800; дифференциальная сканирующая калориметрия с помощью DSC Phoenix;
снимки поверхности материалов получены с помощью сканирующей электронной микроскопии на приборе JEOL JSM-7500F.
Результаты и обсуждение. Возникновение яркой окраски бесцветных прозрачные пленок из аморфно-кристаллических полимеров при прохождении поляризованного света (плеохроизм) обнаружено и предложено использовать [8, 9] при изготовлении многоцветных цветовых панелей и
световых экранов. Эффект плеохроизма связывали с внутренним напряженным состоянием и особой кристаллической структурой предельно ориентированного полипропилена [10]. Систематическое изучение оптических свойств разных пленок из полиэтиленов и полипропилена различных марок, позволило установить общий характер цветных эффектов. Разные пленки полиэтилена и полипропилена в той или иной степени дают цветные эффекты в проходящем и отраженном потоках поляризованного света. Изменение цвета полимерных полиэтиленовых пленок в поляризовонном свете в результате термообработки описано ранее [11]. Пленки полиэтилена ПЭ-1 и ПЭ-2 прозрачные и не имеющие оттенка в дневном свете, при рассмотрении в поляризованном свете обнаруживают различное окрашивание в исходном не термообработанном состоянии (рис. 1).
РЕ-1 РЕ-2
а б а б в
Рис. 1. Пленки полиэтилена двух марок (РЕ-1 и РЕ-2) в дневном и поляризованном свете: а - в исходном и б - термообработанном состояниях; в - схематичное изображение многослойного материала
Многослойная система, состоящая из двух линейных полимерных поляризаторов, направленных параллельно относительно оси поляризации, и одного слоя пленки полиэтилена ПЭ-1 между ними, имеет ярко синий цвет, в то время как пленка ПЭ-2 не дает видимого цвета в тех же условиях, т.е. практически бесцветна. Это может указывать как на различия степени вытяжки и разности величины внутренних напряжений [9], так и на
336
различия в аморфно-кристаллической структуре двух пленок. Механические свойства пленки исследовали с помощью разрывной машины РМ-50. Исследование показало, что пленка ПЭ-2 более анизотропна по прочностным и деформационным характеристикам и имеет большее значение предела прочности и модуля упругости, чем пленка ПЭ-1 (таблица), хотя в поляризованном свете окрашена не так интенсивно.
Механические свойства пленок полиэтилена
Тип пленки h, мкм Тпл., оС Степень кри- сталлич. % Модуль упругости Е, МПа Предел прочности о, МПа Относительное удлинение е, % Анизотропия
1 " 1 " 1 " в"/ В" о" / о" е" / е"
ПЭ-1 48,1± 0,3 107.1 36 50 63 9,75 10,30 425 520 1,26 1.06 1,22
ПЭ-1 ТО 48,4± 0,5 108.8 31 53 58 10 10,75 475 590 1,1 1,07 1,24
ПЭ-2 51,9± 0,6 108,5; 121,4 37 100 105 15,75 12,2 200 775 1,05 1.3 3,9
ПЭ-2 ТО 53,0± 1.4 107.5; 120.6 36 120 105 16,3 11,3 220 750 1,15 1,44 3,4
Зависимость цвета многослойной полимерной системы в поляризованном свете, состоящей из двух слоев линейных поляризаторов и нескольких слоев пленок полиэтилена между ними, от толщины пленки определяли по методике [7]. Цвет пакета полимерных пленок измеряли с помощью спектрофотометра СФ-2000 в режиме «на просвет» в диапазоне длин волн видимого света от 380 до 730 нм. График зависимости светлоты L в составе цифровых координат цвета L*a*b от толщины пленки полиэтилена представлен на рис. 2.
Из данных, представленных на рис. 2, можно сделать вывод о том, что с увеличением числа слоев, а, следовательно, и толщины полиэтиленовых пленок в составе многослойного пакета, цвет и светлота меняется для двух пленок различным образом.
Цвет монопленки ПЭ-1 (темно-синий) соответствующий минимальной светлоте пакета (рис. 1) назовем исходным, а цвет 2 пленок ПЭ-1 - желтый соответствующий максимуму светлоты пакета - противоположным. По мере увеличения числа слоев пленок ПЭ-1 в пакете и соответственно их суммарной толщины происходит периодическая смена исходного цвета на противоположный с монотонным уменьшением амплитуды светлоты, обусловленным повышением мутности [X]. Эти циклические изменения оптических характеристик пленок в поляризованном свете предлагается называть «цветовыми колебаниями» и характеризовать амплитудой изменения светлоты и «цветовым периодом» соответствующим конкрет-
337
ной полимерной пленки. ПЭ-1 с увеличением толщины пленки на 1 слой равный 50 мкм, меняет цвет пакета циклично на противоположный, с постепенным угасанием «цветовых колебаний», связанным с увеличением мутности пленки с увеличением числа слоев. Для параллельного положения поляризаторов видимый цвет циклично меняется с темно-синего на желтый. «Цветовой период» составляет 2 слоя или 50 мкм. Пленка ПЭ-2 показывает интенсивную видимую темно-синюю окраску в поляризованном свете только при трех слоях пленки толщиной 150 мкм, а интенсивную желтую окраску при 6 слоях равных 300 мкм, возвращаясь при этом к сине-фиолетовому цвету через оттенки при 9 слоях равных 450 мкм. Для этой пленки «цветовой период» составляет 6 слоев или 300 мкм. Это наглядно показывает цикличность цвета многослойного пакета с увеличением числа слоев пленки полиэтилена в его составе. Для пленок разных марок равной толщины обнаруживается закономерная последовательность смены цветов, но с разными периодами. Исследования этих двух материалов с помощью ИК-Фурье спектрометра с целью выяснения различий в составе пленок и наличия возможных наполнителей в их составе показали, что пленки с одинаковой долей вероятности имеют идентичный химический состав.
Рис. 2. График зависимости светлоты многослойного пакета от суммарной толщины пленок полиэтилена: 1 - ПЭ-1; 2 -ПЭ-2
Для того, чтобы выяснить, как влияют условия термообработки на цвет многослойной системы, решено было провести нагрев пленок с высокой точностью до 0,1 оС в камере хроматографа ЦВЕТ-800. Нагревание
60
0
100 200 300 400 500
Толщина многослойной пленки полиэтилена И, мкм
проводили в диапазоне температур от 20 до 90 °С с шагом в 10 °С в течение 10 минут без давления, после чего цвет фиксировали визуально и инструментально с помощью спектрофотометра СФ-2000 на просвет. По результатам измерения координат цвета рассчитывали цветовое различие цвета термообработанной пленки от цвета исходной пленки при комнатной температуре 20 °С (рис. 3).
м <
К
к
70
60
50
40
§ 30 «
о н
(и «
20
10
0
20 40 60 80
Температура обработки, °С
Рис. 3. Цветовое различие исходной и термообработанной пленки полиэтилена в зависимости от температуры обработки:
1 - ПЭ-1, 2 -ПЭ-2
Пленка ПЭ-1, имеющая изначально сине-фиолетовый цвет в поляризованном свете, с увеличением температуры термообработки теряет интенсивность окраски и постепенно обесцвечивается, становясь светло-коричневого цвета (зафиксированный цвет после обработки температурой 90 °С). Цветовое различие при дальнейшем увеличении температуры термообработки пленки вплоть до температуры плавления увеличивается значительно. Пленка ПЭ-2, не имеющая интенсивной окраски при комнатной температуре, при термообработке также незначительно обесцвечивается, о чем говорит небольшое возрастание цветового различия при увеличении температуры термообработки.
Наглядно оценить изменение цвета многослойного пакета при увеличении температуры термообработки можно, нанеся значения цветности на соответствующую систему координат цветности (рис. 4).
Для выявления различий теплофизических свойств пленок полиэтилена, а также возможных различий в аморфно-кристаллической структуре, решено было провести испытания методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Пленка ПЭ-1 до термообработки имеет стандартную кривую плавления с пиком в области температуры плавления полиэтилена низкой плотности равному 107,1 °С. Пленка ПЭ-2 Имеет два пика плавления 108,5 и 121,4 °С. Расчетная степень кристалличности двух пленок близка по значениям: 36 и 37 % соответственно (табл. 1).
Рис. 4. Траектория изменения цвета многослойного пакета в поляризованном свете по мере увеличения температуры обработки: 1 - ПЭ-1, 2 -ПЭ-2
На снимках СЭМ видно, что пленка ПЭ-1 имеет волокнообразную «волосатую» структуру (рис. 5 (1)), которая сглаживается после термообработки (рис. 5 (2)). На поверхности пленки ПЭ-2 обнаружены плоские толщиной около 15...20 нм ламеллярные структуры, которые также исчезают после термообработки при температуре значительно меньшей, чем температура плавления полиэтилена.
Известно, что глаз человека способен воспринимать и разделать оттенки цвета, если их численное цветовое различие ДЕ > 3 [12]. Изменение цвета многослойного пакета при термообработке одного или нескольких слоев пленки полиэтилена, входящих в него, дает возможность наносить на материал не только символы различимые глазом, но и всевозможные информативные знаки и штриховые коды, считываемые аппаратно с помощью сканеров и мобильных устройств.
0.9
520
) -1 "Г" I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
х
Рис. 5. Снимки СЭМ поверхности полиэтилена двух марок в исходном состоянии (1,2) и после термообработки при 60 °С (3,4)
Для надежного считывания информации штриховых кодов всех систем главным критерием является величина цветового различия между фоном и печатным элементом, что рассмотрено ранее [13]. Достигаемое при термообработке изменение цвета некоторых материалов говорит о их пригодности для изготовления защитных элементов упаковки, содержащих штриховое кодирование [12] и хранения цифровых данных [14]. Пленки, меняющие цвет незначительно или с большим цветовым периодом, могут быть применены в качестве вспомогательных (дополнительных) слоев материала, позволяющих достигать необходимых оттенков цвета в составе многослойной упаковки.
Список литературы
1. Кондратов А.П. Новые полимерные пленки для печати защищенной от подделки этикетки и упаковки // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2011. № 2. С. 83-94.
2. Кондратов А.П., Дрыга М.А. Управление прозрачностью наномо-дифицированной полипропиленовой пленки при защитной маркировке деталей упаковки // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2012. №1. С. 62-67.
3. Журавлева Г.Н., Комарова Л.Ю., Кондратов А.П. Активация запечатываемой поверхности гибкой упаковки из полипропилена обработкой растворителями // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. №1. С. 20-26.
341
4. Почивалов К.В., Рожкова О.В., Вялова А.Н., Голованов Р.Ю., Баранников В.П., Мизеровский Л.Н. Исследование процесса аморфизации частично кристаллических полимеров методом гидростатического взвешивания в инертной жидкости // Химические волокна. 2009. № 3. С. 28 - 31.
5. Jinrong W., McKenna, Gregory B. Anomalous melting behavior of cyclo- hexane and cyclooctane in poly(dimethylsiloxane) precursors and networks // J. Of polymer Sci. Part B: Polymer physics. 2008. Vol. 46. Issue 24. P. 2779-2791.
6. Мизеровский Л.Н., Почивалов К.В. Фазовое равновесие в системах линейный полимер - жидкость и структурно-термодинамические особенности полимерной фазы // Химические волокна. 2009. № 3. С. 3 - 11.
7. Ермакова И.Н., Нагорнова И.В., Кондратов А.П. Методики приготовления образцов и оценки оптических свойств многослойных полимерных пленок с эффектом плеохроизма // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. №2. С. 3 - 12.
8. Kondratov A.P. New Materials for Light Strain-optical Panels // Light & Engineering, 2014, № 3. Т. 22. С. 74 - 77.
9. Кондратов А.П. Новые материалы для световых механооптиче-ских панелей. // Светотехника, 2015. № 1. С. 59-62.
10. Кондратов А.П., Утехин А.Н., Боровиков П.С. Термомодифици-рованные пленки полипропилена с оптимальной кристалличностью для защитных элементов упаковки // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2013. № 4. С. 34-44.
11. Kondratov A.P., Varepo L.G., Nagornova I.V., Ermakova I.N. Transparent layered materials based on variable color polyolefins // Procedia Engineering 113. 2015. P. 423-428.
12. Ермакова И.Н., Кондратов А.П. Обеспечение оптимального сигнала контраста термопечати «водяных знаков» и скрытых штриховых кодов на слоистых пленках полиэтилена // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. № 4. С. 83 - 91.
13. Кондратов А.П., Ермакова И.Н. Оценка возможности варьирования цвета прозрачных многослойных полимерных материалов с эффектом плеохроизма // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2013. № 4. С. 3-11.
14. Некрасов А.Д., Кондратов А.П. Способ представления и хранения цифровых данных в виде отпечатков многоцветных двумерных кодов // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2014. №1. С. 37-43.
Ермакова Ирина Николаевна, канд. техн. наук, мл. научный сотрудник, i.n. ermakovaagmail.com, Россия, Москва, НТЦ «Полиграфические и инновационные материалы»
THE COLOR AND TRANSPARENCY OF MULTILAYER FILMS OF POLYETHYLENE IN POLARIZED LIGHT
I.N. Ermakova
Multilayer film materials with optical effects are used in protective packaging of food, pharmaceuticals and cosmetics. It is shown that multilayer films containing polyethylene have different colors and transparency by passing polarized light. It is found that the color of the multilayer package, measured in the coordinates of color space La*b*, varies due to the heat treatment of polyethylene layers. The effect of heat treatment temperature on the color of the multilayer system as an example polyethylene films of the same thickness of the two brands.
Key words: multilayer polymer films, packaging, color effects, polarization, termo-modification, labeling.
Ermakova Irina Nikolaevna, candidate of technical science, junior researcher,
i. n. ermakova@gmail. com, Russia, Moscow, Center of Polygraphic and Innovation Technology
УДК 681.2-5
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАНИПУЛЯТОРА КИСТИ АНДРОИДА
А. Д. Михед, Е.Е. Смирнова, Ю.В. Липатова
Описано проектирование автономной роботизированной кисти андроида с использования методологии 8ЛБТ. Построена функциональная модель манипулятора кисти робота и её декомпозиция. По разработанной ЗБ-модели робота собран макетный образец и записан алгоритм, реализующий его работу.
Ключевые слова: мобильный робот, информационная система, моделирование, трехмерная модель, алгоритм.
В настоящее время человек не может обойтись без высокотехнологичного оборудования, электронных и механических систем. Робототехни-ческие системы являются одним из новых видов производственной техники. Их применение требует новой организации технологического процесса. Робототехнические системы, особенно с адаптивными и интеллектуальными роботами, нуждаются в микропроцессорном управлении.
Использование плат с микроконтроллером Агёшпо позволяет в короткие сроки создать готовое электронное устройство. Одной из областей применения платы стали миниатюрные роботы, количество вариантов конструкций которых, сегодня составляет сотни, если не тысячи. Создание робота - процесс многоэтапный, включающий в себя проектирование, сборку, программирование. Знания робототехники граничат с математикой, физикой, механикой, алгоритмизацией.
343
