Физическая модификация электромагнитным излучением свч-термопластов, содержащих звенья с 2Н 4 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 678. 5/6 : 677.4:538.12

И. В. Пятаев

аспирант, кафедра «Химическая технология», ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический

университет имени Ю.А. Гагарина»

В.Н. Студенцов

д-р техн. наук, профессор, кафедра «Химическая технология», ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический

университет имени Ю.А. Гагарина»

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ СВЧ-ТЕРМОПЛАСТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЗВЕНЬЯ С2Н4

Аннотация. В работе изучено влияние предварительной обработки гранулированных термопластов электромагнитным излучением СВЧ на прочностные характеристики материалов, получаемых из обработанных полимеров литьем под давлением.

Ключевые слова: полиэтилен, поликапроамид, СВЧ-излучение, прочностные характеристики.

I.V. Pyataev, Saratov State Technical University

V.N. Stoudentsov, Saratov State Technical University

PHYSICAL MODIFICATION OF POLYMERS CONTAINING C2H4-GROUPS BY ELECTRO

MAGNETIC RAYS UHF

Abstract. In work influence of preliminary processing of the granulated thermolayers by the electromagnetic radiation of the microwave oven on strength characteristics of the materials received from processed polymers by molding under pressure is studied.

Keywords: polyethylene, polycaproamide, microwave radiation, strength characteristics.

В настоящее время проводятся исследования применения электромагнитных колебаний СВЧ в технологии полимерных материалов. СВЧ-обработка наиболее эффективна когда ее частота соответствует частоте собственных колебаний фрагментов макроцепей. Рассматриваемый метод физической модификации является технически простым и практически эффективным.

Обработка электромагнитными колебаниями СВЧ относится к физическим методам модификации полимерных композиционных материалов (ПКМ). Все физические воздействия, применяемые при физической модификации, можно разделить на ориентирующие воздействия (механическое натяжение, постоянное магнитные и электрические поля) и энергетически подпитывающие воздействия. К последним относятся все воздействия колебательной природы: ультразвук (частоты и = 104-105Гц), СВЧ-излучение (частоты около 109Гц), УФ-излучение (частоты около 1015Гц).

При формовании изделий из полимеров конкурируют физико-химические процессы, требующие различных энергий активаций. В массе полимеров все эти процессы лимитируются скоростью самодиффузии.

Применение физических воздействий второго типа повышает подвижность структурных элементов полимера, то есть по существу такие воздействия эквивалент-

ны повышению температуры. Таким образом, колебательные воздействия изменяют соотношения скоростей процессов, требующих различных энергий активаций: известно, например, что понижение температуры приводит к подавлению процессов, требующих сравнительно высоких энергий активаций.

Наибольшего эффекта от применения колебательных воздействий следует ожидать при совпадении частоты внешнего воздействия с частотой собственных колебаний структурных элементов макроцепей.

Теоретически частоту собственных колебаний частиц при абсолютной температуре Т можно оценить как

А = кТ/1-1, (1)

где к - постоянная Больцмана, И - постоянная Планка.

При температурах от нескольких десятков до двухсот оС собственные частоты [1] являются величинами порядка 1012-1013Гц. Однако в конденсированной среде полимеров частоты собственных колебаний сильно зависят от массы частиц и их взаимодействий друг с другом. Снижение частоты колебаний в реальных полимерах можно учесть введением экспоненты, содержащей эффективную энергию активации диффузионных процессов, которая составляет около 10-20 кДж/моль [2]. Ограниченные таким образом частоты колебаний снижаются до величин 105-1010Гц.

Частоте СВЧ-колебания порядка 109Гц в указанном температурном интервале соответствуют собственные частоты групп (СН2)2 в полиэтилентерефталате, групп (СН2)П в полиэтилене и групп (СН2)5 в поликапроамиде.

В связи с вышеизложенным в качестве объектов исследования выбраны поли-капроамид, поликапроамид стеклонаполненный, полиэтилен.

Сущность проведенного эксперимента состоит в формовании стандартных образцов термопластов после кратковременной обработки исходного гранулированного материала СВЧ-излучением различной мощности. Были определены следующие характеристики полученных образцов:

- разрушающее напряжение при статическом изгибе аи ,МПа (ГОСТ 4648 - 71);

- разрушающее напряжение при растяжении ар ,МПа (ГОСТ 11262-80);

- удельная ударная вязкость ауд , кДж/м2 (ГОСТ 4647 - 80);

- твердость по Бринеллю Нв, МПа.

Полученные значения характеристик сравнивали с аналогичными значениями, полученными без обработки исходного материала СВЧ-излучением. Количественной характеристикой эффективности СВЧ-обработки является кратность увеличения к прочностной характеристики, определяемой как отношение характеристики после СВЧ-обработки к значению, полученному без СВЧ-обработки.

Таблица - Кратности увеличения физико-механических характеристик образцов стеклонаполненного поликапроамида после предварительной обработки СВЧ-излучением

ар аи ауд. Нв

1,10 0,86 1,53 1,36

Статистическая обработка полученных результатов показала, что влияние СВЧ-

№ 1 (17) - 2013

11

облучения исходного полиэтилена в изученных условиях находится в пределах погрешности при определении величин ауд и аи., при этом ар возросло в 1,2-1,6 раз. Увеличение ар может быть обусловлено усилением кристаллизации полиэтилена в направлении формования в результате повышения подвижности макроцепей после СВЧ-обработки.

к

1,6

1,4

1,2 1

0,8 -

Рисунок - Зависимости кратности увеличения k прочностных характеристик от мощности W источника колебаний СВЧ: о - HB, ▲ - ауд., ■ - аи., ♦ - ар (полиамид ненаполненный)

СВЧ-обработка поликапроамида не приводит к увеличению ар в силу меньшей склонности поликапроамида к кристаллизации по сравнению с полиэтиленом. Изучение структуры поперечного среза разрушенных образцов поликапроамида показало, что СВЧ-обработка способствует образованию на образцах оболочки с повышенной твердостью, что и приводит к заметному увеличению ауд и HB (см. рисунок)

Введение в поликапроамид мелко нарезанного стеклянного ровинга приводит к увеличению ар в силу повышения анизотропии структуры и к значительному увеличению ауд. и HB (см. таблицу). Применение СВЧ не оказывает значительного влияния на величину аи.: для ненаполненного поликапроамида эта величина незначительно увеличивается, а для наполненного - незначительно сокращается.

Таким образом, СВЧ-обработка исходного материала способствует образованию на образцах поверхностного слоя повышенной твердости.

Список литературы:

1. Студенцов В.Н. Структура химических волокон. Учебное пособие. - Саратов : СПИ, 1982. - 70 с.

2. Студенцов В.Н. Диффузионный механизм отверждения и структура композиционных материалов, армированных химическими волокнами / Журнал прикладной химии. - 1983, номер 9. - С. 2077-2082.

List of references:

1. Stoudentsov V.N. Structure of chemical fibers. Manual.- Saratov : SPI, 1982.-70 p.

2. Stoudentsov V.N. The diffusive mechanism of an solidification and structure of the composite materials reinforced by chemical fibers / Magazine of applied chemistry.- 1983, number 9.- P.2077-2082