CC BY
30
УДК 676.274:678.5
А. Р. Гильманова, И. Р. Гильманов, М. Ф. Галиханов
ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРЕТНЫХ СВОЙСТВ ПОЛИЭТИЛЕНОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ЭКСТРУЗИОННОГО ЛИСТА ПРИ ВСПЕНИВАНИИ
Ключевые слова: газонаполненные полимеры, короноэлектрет, полиэтилен.
В работе изучены электретные свойства полиэтиленовых экструзионных листов и пенополиэтилена. Показано, что вспенивание полиэтилена приводит к повышению его потенциала поверхности, эффективной поверхностной плотности заряда и напряженности электрического поля. Причины наблюдаемых закономерностей заключаются в большей полной площади поверхности полимера, являющейся поставщиком энергетических ловушек инжектированных носителей заряда.
Keywords: porous polymer, corona electrets, polyethylene.
We research the properties of electret plastic extrusion sheet and foamed polyethylene. It is shown that the polyethylene foam increases potential of the surface, the effective surface density charge and electric field tension. Reasons of the observed regularities consist in larger full area of the polymer surface, which is the supplier of energy traps injected charge carriers.
Введение
Специфические особенности газонаполненных полимеров (низкая плотность, высокие тепло- и звукоизоляционные свойства, повышенная удельная прочность и т.д.) определяют техническую направленность и экономическую эффективность их применения в различных областях промышленности. По ряду ценных технологических и эксплуатационных свойств вспененные полимеры не имеют аналогов среди традиционных материалов [1].
Одним из перспективных поропластов является пенополиэтилен (ППЭ). Благодаря своим уникальным свойствам, помимо традиционных направлений (тепло-, шумо-, вибро-, гидро, звукоизоляционный материал) он используется также для изготовления детских товаров (развивающие игрушки, пазлы), товаров для спорта и туризма [2, 3].
В последнее время увеличивается объем исследований электретных и пьезоэлектрических свойств полиэтилена (ПЭ) [4-7] и вспененных (газонаполненных) материалов на его основе. Композиции «полимер - газ» превосходят по своим электретным характеристикам исходные полимеры благодаря гетерогенной структуре с развитой межфазной поверхностью [8-10].
Учитывая негативное влияние элктрических полей на жизнедеятельность различных микроорганизмов (грибков, бактерий и т.д.), появились технологии, использующие в качестве стерилизующего агента электрическое поле электретов. Например, в упаковке пищевых продуктов, стерильных медицинский инструментов электретные пленки постепенно вытесняют традиционные материалы, которые выполняют только механические и барьерные защитные функции [11].
Учитывая вышесказанное, целью настоящей работы явилось изучение электретных свойств вспененного пенополиэтилена.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования был выбран композиционный экструзионный лист на основе полиэтилена (ПЭ) марки ПВД-15803 - 020, содержащий вспенивающий и сшивающий агенты, и пенополиэтилен (ППЭ) марки 3008 (табл. 1).
Таблица 1 - Свойства полиэтиленового экструзионного листа и пенополиэтилена
Наименование показателя Нормативные значения
ПЭ лист ППЭ
Кажущаяся плотность, г/см3, не менее 0,919 0,033
Удлинение при разрыве, %, не менее 600 100
Разрывное напряжение, МПа, не менее 11,7 0,20
Водопоглощение за 24 часа, % об., не более 0,01 1,5
Для электретирования образцы размерами 70^70x3 мм (композиционный лист на основе ПЭ) и 70^70x8 мм (ППЭ) выдерживали 10 - 15 минут в термошкафу при температуре 90 °С и охлаждали в поле коронного разряда в течение 30 секунд. Электретирование осуществлялось при напряжении 30 кВ.
Измерение потенциала поверхности Уэ, эффективной поверхностной плотности заряда аэф и напряженности электрического поля Е образцов проводили с помощью измерителя параметров электростатического поля ИПЭП-1 (метод периодического экранирования приемного электрода), находящегося на расстоянии 2 см от поверхности электрета.
Результаты и их обсуждение
Электретом называется диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле. Электреты характеризуются гетеро- и гомозарядом. Гомозаряд появляется вследствие инжекции из электродов в диэлектрик носителей зарядов (например, ионов) того же знака, что и на электроде. Гетерозаряд возникает в результате электрической поляризации в объеме диэлектрика из-за ориентации диполей, ионной (или электронной) поляризации или смещения пространственного заряда.
Существует несколько способов изготовления электретов. Короноэлектреты (характеризующиеся наличием гомозаряда) изготавливают воздействием поля постоянного коронного разряда на диэлектрик. При заряжении, на один из электродов, выполненный в виде иглы, набора игл, проволоки или ножа, подается высокое напряжение, обуславливающее возникновение ионизированного воздуха-плазмы, при этом диэлектрик должен находиться в контакте с заземленным металлическим электродом [12-14].
На первом этапе настоящей работы были изучены газонаполненные полиэтиленовые образцы и их электретные свойства, которые сравнивали с электретным характеристиками невспененного полиэтиленового листа. На рисунке 1 представлена зависимость эффективной поверхностной плотности заряда исследуемых материалов от времени хранения. Начальный (более крутой) участок кривой обусловлен высвобождением носителей заряда из энергетически мелких ловушек, второй (пологий) участок кривой - период стабилизации электретных свойств, величина которых определяется наличием носителей заряда в глубоких энергетических ловушках диэлектрика.
а эф
0,5 0
0 5 10 15 20 25 30
I
Рис. 1 - Зависимость эффективной поверхностной плотности заряда аэф (мкКл/м2) от времени хранения t (сутки) композиционного материала на основе полиэтилена (1) и пенополиэтилена (2)
Если мы сравним электретные свойства композиционного листа (рис. 1, кр.1) с исходным полиэтиленом (данные работ [4-7]), то увидим, что
свойства композита выше. Это связано с тем, что композиционный материал имеет гетерогенную структуру, связанную с наличием газообразователей, сшивающих агентов, нуклеаторов) и характеризуется наличием поверхности раздела фаз, выступающей в качестве поставщика глубоких ловушек инжектированных носителей заряда [4, 10].
На следующем этапе композиционных полиэтиленовый лист подвергался вспениванию при температуре 170 - 210 °С и после этого получившийся ППЭ электретировался в коронном разряде.
Было выявлено, что по значениям Уэ (рис. 1), аэф и Е пенополиэтилен на 30-70 % превосходит полиэтиленовый лист. В период стабилизации электретных свойств композиционный материал на основе полиэтилена имеет потенциал поверхности около 1,0 кВ. Для вспененного полиэтилена этот показатель составляет порядка 1,4 кВ. Эффективная поверхностная плотность заряда составляет 0,95 мкКл/м2 и 1,2 мкКл/м2, а напряженность электрического поля - 105 кВ/м и 175 кВ/м для ПЭ листа и ППЭ соответственно.
Повышение электретных характеристик вспененного полиэтилена может быть связано с несколькими причинами. Во-первых, вспененный полиэтилен имеет большую полную площадь поверхности по сравнению с композиционным образцом, полученным методом экструзии. Под полной площадью поверхности подразумевается вся поверхность полимера, включающая большое количество пор и дефектов. Благодаря этому количество гомо- и гетерозарядов, которое содержится только на поверхности или в поверхностном слое, может быть значительно увеличено [9]. Вторая причина - большая гетерогенность структуры, обуславливающая проявление эффекта Максвелла-Вагнера.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования показывают, что электретные свойства вспененного полиэтилена на 30-70 % выше по сравнению с невспененными образцами. Используя сведения об антибактериальных свойствах электретов можно предложить применение электретированного в коронном разряде пенополиэтилена для изготовления детских игрушек, спортинвентаря.
Литература
1 . Морозова Е . А. , Май дан Д. А . , Кузн е ц Е. А., Кут ырёва Д. В. Современные теплоизоляционные материалы. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2010. Вып.9.
2. Гольдберг Я.Б., Василевич С.В. Тренажер - корректор осанки // Патент на изобретение RUS 2329778 от 30.10.2006
3. Панкратов А.В., Матюхина Г.Н., Фридман О.А. Вкладная гигиеническая стелька для обуви // Патент на полезную модель RUS 93232 от 21.04.2009
4. Галиханов М.Ф. Короноэлектреты на основе полиэтиленовых композиционных материалов (обзор) // Материаловедение. 2008. № 7. С. 15-28.
5. Рамазанов М.А., Гусейнова А.С. Влияние электротермополяризации на электретные свойства и зарядовое состояние нанокомпозиций полиэтилена с добавками Cr и PbCrO4 // Электронная обработка материалов. 2013. Т. 49, № 2. С. 8-11.
6. Шишкова А., Фиданов Д., Каримов И.А. и др. Влияние температуры электретирования на стабильность значений потенциала поверхности полиэтилена // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18, № 1. С. 221-223.
7. Li J., Zhou F., Min D. et al. The Energy Distribution of Trapped Charges in Polymers Based on Isothermal Surface Potential Decay Model // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2015. Vol. 22, No. 3. P. 17231732.
8. Nakayama M., Uenaka Y., Kataoka Sh., Oda Y., Yamamoto K., Tajitsu Y. Piezoelectricity of Ferroelectret Porous Polyethylene Thin Film // Japanese Journal of Applied Physics. 2009. V. 48. 09KE05
9. Дымова М.А., Галиханов М.Ф., Дебердеев Р.Я. Определение причин изменения электретных свойств полимеров при вспенивании // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 6. С. 95-97.
10. Дымова М.А. Галиханов М.Ф., Дебердеев Р.Я. Влияние зародышеобразователя газовой фазы на электретные свойства вспененного полиэтилена // Вестник Казанского технологического университета. 2011. №3. С. 73-76.
11. Крыницкая А.Ю., Борисова А.Н., Галиханов М.Ф. и др. Влияние «активного» упаковочного материала на развитие микроорганизмов в пищевых продуктах // Пищевая промышленность. 2011. № 1. С. 27-29.
12. Губкин АН. Электреты. М.: Наука, 1978. 83 с.
13. Yovcheva T. Corona charging of synthetic polymer films. -New York: Nova Science Publishers Inc, 2010. 60 p.
14. Борисова М.Э., Галюков О.В., Цацынкин П.В. Физика диэлектрических материалов, электроперенос и накопление заряда в диэлектриках. - Уч. пособие. СПб.: Изд-во Политехнического университета 2004. - 140 с.
© А. Р. Гильманова - студент КНИТУ; И. Р. Гильманов - технолог АО «Орион»; e-mail:gilmanov_iskander@mail.ra; М. Ф. Галиханов - д-р техн. наук, профессор, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, e-mail: mgalikhanov@yandex.ru.
© A. R. Gilmanova - student of Kazan national research technological university, 1 R. Gilmanov - technologist of Orion corporation, E-mail:gilmanov_iskander@mail.ru; M. F. Galikhanov - professor, Dr. Tech. Sci., professor of the Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university. E-mail: mgalikhanov@yandex.ru.
