АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ БИВНЕЙ МАМОНТА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Список литературы

1. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. СПб.: НОТ, 2010. 866 с.

2. Khedkar J., Negulescu I., Meletis E.I. Sliding wear behavior of PTFE composites // Wear. 2002. Vol. 252. P. 361-369.

3. Conte M., Igartua A. Study of PTFE composites tribological behavior // Wear. 2012. Vol. 296. P. 568-574.

4. Машков, Ю.К., Рубан А.С., Рогачев Е.А., Чемисенко О.В. Изменение структуры и износостойкости ПТФЭ-нанокомпозитов при различных методах структурной модификации // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т 5, № 2. С. 188-193.

5. Chen Y., Tu C., Liu Y., Liu P., Gong P., Wu G., Huang X., Chen J., Liu T., Jiang J. Microstructure and mechanical properties of carbon graphite composites reinforced by carbon nano-fibers // Carbon Letters. 2023. Vol. 33 (2). P. 561-571.

6. Afonnikova S.D., Veselov G.B., Bauman Yu.I., Gerasimov E.Y., Shubin Yu.V., Mishakov I.V., Vedyagin A.A. Synthesis of Ni-Cu-CNF composite materials via carbon erosion of Ni-Cu bulk alloys prepared by mechanochemical alloying // Journal of Composites Science. 2023. Vol. 7 (6). P. 238.

УДК 57.012:569.614

DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-201-205

АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ

БИВНЕЙ МАМОНТА

Исакова Т.А., Петухова Е.С., Павлова В.В., Соловьев Т.М., Ботвин Г.В., Чириков А.А., Петров В.В. Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения

Российской академии наук», г. Якутск E-mail: [email protected]

Аннотация. Исследованы структурные характеристики различных сортов бивней мамонта методами рентгенофазового анализа, термогравиметрии и ИК-спектроскопией. Показано, что отличительной особенностью минерального состава бивней III и IV сортов от бивней I и II сортов является наличие в виде примесей, помимо гидроксиапатита, других фосфатных минералов, состав которых в большей степени зависит от условий окружающей среды, в которой залегает бивень мамонта. При снижении сортности увеличивается большое количество трещин и пор, что приводит к тому, что бивень может впитать значительно больше влаги. Показано, что от влажности напрямую зависит прочность при сжатии.

Ключевые слова: ископаемая мамонтовая кость, бивень мамонта, сорта бивней, структура, физико-механические свойства.

Как известно [1], бивни мамонтов (БМ) различаются своей сортностью в зависимости от размеров, целостности, наличия и количества трещин и т. д. Для изучения структуры и физико-механических свойств БМ были приобретены бивни разных сортов. Определение сортности проводили на основе разработанного Национальным мамонтовым фондом Республики Саха (Якутия) и Всемирным музеем мамонта (г. Якутск) документа «Технические условия на ископаемый бивень и его обломки, добываемые на территории Республики Саха (Якутия)» (ТУ 421-001-92), а также с учётом более раннего документа «Кость мамонтовая в сырье» (ТУ 41-07-006-81), использовавшегося СПО «Северкварцсамоцветы» в 1982-84 гг. В зависимости от сохранности, помимо коллекционного бивня, который довольно редко встречается, сырье подразделяют на 4 сорта (Рис. 1).

Рисунок 1 - Различные сорта бивней мамонта

Согласно существующей нормативной документации к I сорту относят БМ без повреждений, приведших к утратам (кроме прижизненных); вещество бивней сухое, без трещин, минимальный диаметр при выходе из альвеолы - 10 см; фрагменты без трещин, диаметр минимальный - 10 см, длина минимальная - 30 см. Ко II сорту относят бивни целые или повреждённые с утратами в альвеолярной и/или в свободной части; вещество бивней влажное или сухое, с отдельными (не более 3-х) продольными трещинами глубиной до 30% диаметра; диаметр минимальный - 7,5 см; фрагменты с трещинами (не более 3-х), диаметр минимальный -7,5 см, длина минимальная - 20 см. Бивни III сорта представляют собой бивни целые или повреждённые с утратами в альвеолярной и/или в свободной части; вещество бивней влажное или сухое, с несколькими продольными трещинами глубиной до 50% диаметра и/или с концентрическими трещинами в краевой зоне; диаметр минимальный - 5 см; длина минимальная - 10 см. БМ IV сорта (синонимы: «несортовой материал», щепа) - это фрагменты бивней в виде обломков или щепы (редко - сильно разрушенные бивни) с многочисленными продольными и кольцевыми трещинами и расслоениями; гидроксилапатит (костная ткань) и/или коллаген частично дегидратированы (обезвожены); параметры - без ограничений.

Основными компонентами БМ, как и практически любой другой костной ткани, являются гидроксиапатит (ГАП), коллаген и вода. Структурные характеристики образцов БМ определяли методом рентгенофазового анализа (РФА), термогравиметрического анализа (ТГА), ИК-спектроскопии. РФА исследование проводили на дифрактометре D2 PHASER (Bruker, Германия) при следующих условиях: CuKa-излучение - 30 кВ, 10 мА; интервал 4,5-65° (20°). Для идентификации минералов использована база данных PDF-2/Release 2011 RDB. ТГА выполнен на приборе синхронного термического анализа фирмы NETZSCH - STA 449C Jupiter (Германия). Образцы нагревались в тигле из PtRh со скоростью нагрева 10 °С/мин от комнатной температуры до 1000°С в инертной среде (аргон). ИК-спектроскопическое исследование образцов из БМ было выполнено на ИК-спектрометре «Nicolet Protégé 460» (США). Снятие спектров производилось по стандартной методике на образцах, таблетирован-ных совместно с KBr. ИК-исследования выполнены в области 400-4000 см-1.

Результаты исследования образцов из БМ различных сортов методом РФА представлены на Рис. 2.

Установлено, что в зависимости от сортности бивня состав его минеральной составляющей существенно не меняется - основным компонентом является магний замещенный гидрок-сиапатит (ГАП) (Ca10-xMgx(PO4)6(OH)2) [2]. Однако, в образцах БМ III и IV сортов кроме гид-роксиапатита были обнаружены следы минерала ньюбериит (Mg(PO3OH) 3H2O). Находки

данного минерала в БМ в научной литературе известны [3]. Так, было высказано предположение, что данный минерал может образовываться в бивне в условиях кислой среды (рН<6,2) и при высокой влажности в результате диссоциации ионов гидрофосфата и магния.

1650

1100

.—ч 550

ш

1650

з:

I-

о 1100

л

ь а 550

О

X ш 2000

о 1500

I

ф ь 1000

I

500

2000

1500

1000

500

Л - 'Ч

Ч 5,331 - £

I- х-См

V,

5,398 6,2%

5,338 4 в72

7,3%

6,1%

3,425 41,6%

1

У*»" _1_1_

2,787 14 100%

V

IV сорт

_1_

г,г77 5,9%

1_I_

1.937 1>й34 9'7,% 10.2% 0>|

1,716

6,0%

г- а * - ш г-

' ^ «Г

3,441 45,6%

I

| \

£ £ , 2,795

Ш СМ I

о 100%

сч р> | I

III сорт

- ,г- / 1и

1 2,597

V 9.1*

\

_1_

_1_

гяп 1 934 1,534

6.5% М% V«

_I_I_I_I_I_I_

-Ч

ч

3,424

, 41.1*

3,870 . 5,4% I.

J_I_I_|_

2,785

Д100%

сорт

2,274 14,4%

_._I_I

1,937 1,836 10,5% 8,8%

_I_,_I

V

3,426

, 42.4% 3,366

е.6% Л

2,794

А100%

I сорт

■

_1_

V _1_

2,270 1,941 1,834 1 71Б 11.7% 5.4% 10.2% 5'4%

_1_

_1_

_1_

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

26 (град.)

Рисунок 2 - Дифрактограммы образцов бивня мамонта разных сортов. Пики гидроксиапатита

(красные полосы), ньюбериита (синие)

Термогравиметрический анализа БМ показал, что процесс их термической деструкции практически не зависит от сортности. Об этом свидетельствует характер полученных кривых, а также значения массовых потерь. Однако, стоит отметить, что в интервале 25-200°С у образцов БМ III и IV сортов характер изменения массы имеет два экстремума в отличие от образцов I и II сортов.

Анализ ИК-спектров показал, что сорта отличаются друг от друга интенсивностью полос поглощения функциональных групп всех компонентов. Чем ниже сорт, тем выше интенсивность полос. Это говорит о том, что процессы минерализации идут намного активнее на поверхности, чем в объеме.

Для исследования физико-механических свойств БМ образцы были разделены на 3 группы: контрольные, высушенные (при температуре 60°С в течение 24 часов), водонасы-щенные (хранили в водной среде в течение 6 недель). В таблице 1 представлены результаты исследования массы образцов до и после высушивания/вымачивания.

Таблица 1 - Изменение массы после высушивания /вымачивания БМ

Сорт БМ Изменение массы после высушивания, % Изменение массы после вымачивания, % Общее изменение массы, %

I -5,8 +11,3 17,1

II -8,2 +12,8 21,0

III -4,3 +20,3 24,5

IV -6,1 +22,2 28,3

Показано, что общее изменение массы возрастает при переходе от I сорта к IV. По количеству влаги, которое материал может потерять/впитать можно косвенно судить о его пористости. При деградации материал рассыхается, теряет часть компонентов, растрескивается и его пористость растет [4]. Наличие большого количества пор, микротрещин приводит к тому, что материал может впитать значительно больше влаги.

На рис. 3 представлены результаты исследования прочности при сжатии контрольных, просушенных и водонасыщенных образов БМ различного сорта. Поскольку БМ является анизотропным материалом [5], определение прочности осуществляли как в продольном, так и в поперечном направлениях. Отчетливой зависимости между сортом БМ и его физико-механическими свойствами не выявлено (рис. 3). Прочность контрольных образцов колеблется в диапазоне 77-161 МПа, прочность просушенных образцов в 1,5-2 раза выше прочности контрольных образцов. Видно, что прочность в поперечном направлении в общем случае ниже прочности, определенной в продольном направлении. Прочность водонасыщенных образцов в 4-7 раз ниже, по сравнению с контрольными образцами, анизотропия свойств практически не проявляется.

Рисунок 3 - Прочность при сжатии исходных, высушенных и водонасыщенных образцов БМ

различной сортности

Таким образом, показано, что отличительной особенностью минерального состава БМ III и IV сортов от БМ I и II сортов является наличие в виде примесей, помимо ГАП, других фосфатных минералов, состав которых в большей степени зависит от условий окружающей среды, в которой залегает БМ. При этом минерализация может происходить не только в корковой части БМ, но и в его дентине. БМ низкого сорта характеризуются более высокой степенью максимального влагонасыщения, чем БМ высокого сорта. Прочностные характеристики образцов БМ напрямую зависят от влажности образцов, что возможно использовать для определения среды, из которой БМ был извлечен при добыче.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ НИОКТР № 122042000008-5. Выражаем благодарность ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН за возможность проведения исследований на научном оборудовании Центра.

Список литературы

1. Распоряжение Главы Республики Саха (Якутия) № 649-РГ от 13 августа 2018 г. « Об утверждении Концепции развития сбора, изучения, использования, переработки и реализации палеонтологических материалов мамонтовой фауны на территории Республики Саха (Якутия)» - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/550166534/

2. Соловьев Т.М., Петухова Е.С., Ботвин Г.В. Исакова Т.А., Павлова В.В. Анализ состава и структуры бивня мамонта Mammuthus primigenius методами термогравиметрического и рентгенофазового анализа // Материаловедение. 2021. № 2. С. 9-12.

3. Freund A., Eggert G., Kutzke H., Barbier B. On the Occurrence of Magnesium Phosphates on Ivory // Studies in Conservation. 2002. Vol. 47 (3). P. 155-160.

4. Fernández-Jalvo Y., Sánchez-Chillón B., Andrews P., Fernández-López S., Martínez L.A. Morphological Taphonomic Transformations of Fossil Bones in Continental Environments and Repercussions on Their Chemical Composition // Archaeometry. 2002. Vol. 44. P. 353-361.

5. Pfeifer S.J., Hartramph W.L., Kahlke R-D, Muller F.A. Mammoth ivory was the most suitable osseous raw material for the production of Late Pleistocene big game projectile points // Scientific Reports. 2019. Vol. 9(1). P. 1-10.

УДК 678

DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-205-209

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ КЛИМАТИЧЕСКОГО ФАКТОРА В ОЧЕНЬ ХОЛОДНОМ КЛИМАТЕ МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Кычкин А.А.1, Сивцев С.И2, Кычкин А.К.3

1 Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения

Российской академии наук», г. Якутск

2 Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения

Российской академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск

3 Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения

Российской академии наук», обособленное подразделение Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск

E-mail: [email protected]

Аннотация. В данной работе приведены результаты исследования методом ядерного магнитного резонанса полимерных пластмассов, экспонированных в открытом полигоне ЦКП ФИЦЯНЦ СО РАН в г. Якутске в очень холодном климате под воздействием естественных климатических факторов. Раскрываются химические изменения полимера под воздействием климатического фактора. Ключевые слова: полимерные материалы, эпоксидное связующее, натурные климатические испытания, ядерный магнитный резонанс.

В качестве связующего материала для полимерных композитных материалов (ПКМ) наибольшее практическое применение в промышленности получили эпоксидные связующие, отвержденные ангидридами дикарбоновых кислот (ЭДИ) из-за сочетания в себе высоких механические и адгезионные характеристики к армирующим волокнам, технологичности связующих - обеспечивающая создание высокопроизводительных процессов пропитки армирующих элементов, формования и окончательного получения изделия.

Полученные ПКМ конструкционного назначения представляют большой интерес для изучения эксплуатационной стойкости и стойкости к климатическим воздействиям в различных условиях и зонах применения данных материалов [1-3].

Основным показателем оценки климатического воздействия для ПКМ являются механические свойства, полученные методами исследования предела прочности и модуль упругости