CC BY
34
УДК 539.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОРАСТАНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРЕЩИН В ПОЛИМЕРАХ МЕТОДОМ МЕХАНОЭМИССИИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ И ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ
© В.А. Закревский, В.А. Пахотин
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: v.pakhotin@mail.ioffe.ru
Ключевые слова: прочность; полимер; трещина; эмиссия; ион.
Исследуется эмиссия отрицательных и положительных ионов при разрыве пленок полимеров в высоком вакууме. Закономерности эмиссии связаны с особенностями прорастания магистральной трещины в полимерах разного типа. Обсуждаются возможные причины образования ионов и механизмы ионной эмиссии.
Объектами исследования были пленки полиэтилен-терефталата (ПЭТФ), полиимида ПМ-1(ПИ), полика-пролактама (ПКЛ), поливинилиденфторида (ПВДФ), политетрафторэтилена (ПТФЭ). Растяжение образца осуществлялось в камере, при давлении <10-7 Тогг и комнатной температуре, с постоянной скоростью 9,84 мм/с и 25 мм/с. Выделение ионов в токе отрицательно заряженных частиц осуществлялось с помощью магнитного поля. Регистрация эмиссии проводилась в режиме счета импульсов [0].
Интенсивность эмиссии отрицательных частиц от времени Мт(ґ) ПИ изображена на рис. 1; вертикальные линии - число импульсов, регистрируемых за 1 тз; (а) -без магнитного поля, (б) - с магнитным полем; точки -нагрузка на образце Е. Стрелкой отмечен момент разрыва. Для других полимеров наблюдаются подобные зависимости Мт(ґ). Как видно, до разрыва при наличии магнитного поля испускаются отдельные отрицательные ионы (электроны не попадают в умножитель). Число отрицательно заряженных частиц, испускаемых в момент разрыва, практически не зависит от того, приложено магнитное поле или нет. Этот факт указывает на то, что эмитируются отрицательные ионы. Графики, подобные изображенным на рис. 1, б, были получены и при регистрации положительных ионов.
Таким образом, впервые было установлено, что при разрыве полимеров испускаются как положительные, так и отрицательные ионы. Результаты измерений эмиссии во время разрыва для ПЭТФ, ПИ представлены на рис. 2-3, на которых верхние графики характеризуют зависимость интенсивности эмиссии положительных ионов от времени, а нижние - отрицательных ионов. Подобные эмиссионные диаграммы получены для ПКЛ, ПВДФ и ПТФЭ. У образцов ПЭТФ шириной 4 мм длительность эмиссии в среднем равна 100 |_із. Полагая, что возникновение эмиссии связано с прорастанием трещины, получим, что скорость ее распространения в этом полимере равна = 40 м/с.
Ранее была установлена взаимосвязь механоэмис-сионных явлений с процессом разрыва макромолекул и предложен ионизационный механизм разрыва химиче-
ских связей в напряженных полимерах [2]. Представляется естественным связывать наблюдаемую ионную механоэмиссию с указанным разделением зарядов и, следовательно, с разрывом межатомных химических связей в напряженных макромолекулах. Наблюдение при деформировании и разрушении полимеров низкомолекулярных положительных и отрицательных ионов свидетельствует о фрагментации макромолекул после их разрыва. Известно, что полимерный материал на стенках растущей трещины нагревается до 500^1300 К [3, 4]. Поэтому можно предположить, что образование низкомолекулярных продуктов является следствием термодеструкции макромолекул.
В полимерах электроны могут захватываться атомными группами с положительным сродством к электрону. По-видимому, часть электронов в областях, где протекает разрушение, прилипает к нейтралам с образованием отрицательных ионов. На рис. 3, 4 обращает на себя внимание наличие паузы (прерывания) эмиссии ионов для ПЭТФ. Также имеются паузы в эмиссии у ПКЛ и ПВДФ. В эмиссионных характеристиках ПИ и ПТФЭ такие паузы отсутствуют. В вершине трещины развиваются большие механические напряжения, вызывающие ориентационные процессы, которые могут приводить к упрочнению полимера, затуплению вершины трещины и уменьшению скорости ее движения. Ясно, что торможение трещины соответствует уменьшению интенсивности деструкционных процессов и локального разогрева. Эти факторы понижают вероятность выхода заряженных частиц, что проявляется в уменьшении регистрируемой интенсивности эмиссии. С течением времени нагружения напряжение на нера-зорванной части образца возрастает, в результате чего создаются условия для возобновления движения трещины. При этом эмиссия возобновляется и продолжа ется до полного разрыва образца. На рис. 4 приведена зависимость А^Г) для образца ПЭТФ шириной 1 мм. Видно, что по сравнению с образцом шириной 4 мм (рис. 2) длительность паузы уменьшилась в 3-4 раза, скорее всего, из-за более быстрого возрастания напряжения на неразорванной части образца.
Г. а АЦ1. Ш5
Г. ш;
ра со временем повышается и распространение трещины
ЛГ|Ц 1^3 4.,
* а
.Шик______________________________
О 50 100 150
І,
и ив
Л'ц, іі'цї
% 1 М5
Ї.Ц5
Ен:.2
Характерной чертой ионной эмиссии, возобновляющейся после паузы, является то, что ее интенсивность уменьшается со временем. Это обстоятельство, несомненно, связано с разогревом материала при прорастании трещины, т.е. с тем, что температура полиме-
I, ц&
Рнс. 4
по мере ее движения все в большей степени становится обусловленным развитием реологических процессов (проскальзыванием макромолекул) и в меньшей степени связанным с разрывом макромолекул.
Ясно, что эмиссионные характеристики различных полимеров определяются их упруго-пластическими
свойствами. ПИ и ПТФЭ отличаются от других исследованных полимеров высокой термостойкостью и неспособностью переходить в высокоэластическое состояние. Поэтому ориентационные процессы в вершине трещины в этих полимерах малоинтенсивны, что позволяет трещине распространяться без резкого торможения. В результате разрыв образцов ПИ и ПТФЭ сопровождается непрерывной эмиссией ионов. На основании изложенного можно сделать вывод, что механоэмиссия является информативным методом исследования механических свойств полимеров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Закревский В.А., Пахотин В.А. // ФТТ. 2010. Т. 52. С. 1083.
2. Закревский В.А., Пахотин В.А. // ФТТ. 1978. Т. 20. С. 371.
3. Егоров Е.А., Жиженков В.В., Савостин А.Я., Томашевский Э.Е. //
ФТТ. 1975. Т. 17. С. 111.
4. Dickinson J.T., Jensen L.C., Langford S.C., Dion R.P. // J. Polym. Sci.
Part B: Polym. Phys. 1994. V. 32. Р. 779.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Zakrevskii V.A., Pakhotin V.A. Investigation of intergrowth of the main crack in polymers by mechano-emission of negative and positive ions.
The emission of negative and positive ions from films of polymers undergoing fracture in high vacuum is investigated. Consistent patterns of emission are bounded with features of intergrowth of the main crack in polymers of different type. The possible reasons generation of ions and mechanisms of ionic emission are considered.
Key words: strength; polymer; crack; emission; ion.
