CC BY
14
пор в результате ускорения структурообразования и возникновению более однородной надмолекулярной структуры. Отметим, что на дендритостойкость кристаллизующихся полимеров значительно влияют химическая природа, концентрация, физическая и электрофизическая природа вводимых добавок.
В общем случае, развитие процесса дендритов в полимерных материалах проходит две стадии. Первая стадия соответствует зарождению дендрита и охватывает период времени от момента приложения электрического напряжения до возникновения дендрита. Момент возникновения дендрита фиксируется визуально под микроскопом. Возникновение дендрита соответствует появлению вблизи игольчатого электрода канала неполного пробоя длиной 10-20мкм. Вторая стадия развития дендритов соответствует росту канала дендрита и охватывает период времени от момента появления дендрита до пробоя образца. Если напряженность электрического поля вблизи электрода-острие превышает электрическую прочность полимера, то дендрит возникает практически сразу вследствие неполного пробоя полимера.
В случае, если проложенное напряжение недостаточно для достижения значений «истинной» электрической прочности вблизи электрода, то между моментом подачи напряжения и возникновением дендрита существует индукционный период, в течение которого в полимере накапливаются изменения, приводящие через определенное время к возникновению дендрита. В рассматриваемом случае, время развития дендрита до полного пробоя образца состоит из индукционного периода зарождения дендрита и периода роста канала дендрита. Продолжительность периода зарождения дендрита сохраняется при увеличении амплитуды напряжения частотой 50Гц и повышении температуры испытаний.
Известен ряд предположений о процессах, происходящих в течение индукционного периода. Однако, до настоящего времени отсутствуют
достаточно надежные экспериментальные данные в поддержку той или иной гипотезы. Анализируя существующие предположения можно заключить, что обнаруженное нами увеличение индукционного периода возникновения дендритов в ПЭВД с введением добавок из рыбьей кости в оптимальном количестве можно объяснить на основе их структурирующей особенности, что способствует замедлению процесса появления локального нагрева вблизи острия в сильном электрическом поле и появление начального дефекта вследствие теплового разложения полимера. На это также указывают экспериментальные результаты, представленные на рис.3.
Выводы
Выявлено, что определением оптимального объемного содержания бионаполнителя из рыбьей кости можно получит биокомпозиты с устойчивыми диэлектрическими параметрами.
Литература
1. Zakrevskii VA , Sudar' N. T., Zaopo A., Dubitsky Yu. A. (2003)Mechanism of electrical degradation and breakdown of insulating polymers Journal of Applied Physics 93(4):2135-2139
2. Zakrevskii V. A. Sudar' N. T. (1996) The effect of space charge on the electrical breakdown of polymers Technical Physics 41(4):352-356
3. Masayuki Ieda (July 1980) Dielectric Breakdown Process of Polymers IEEE Transactions on Electrical Insulation EI-15(3):206 - 224 DOI: 10.1109/TEI.1980.298314
4. Marina Rezinkina (June 2005) Growth of dendrite branches in polyethylene insulation under a high voltage versus the branch conductivity Technical Physics 50(6):758-765 DOI: 10.1134/1.1947354
5. Rezinkina M. M. (2000) Modeling of the dendrite shape variation with applied electric field strength in poly(ethylene) Technical Physics Letters volume 26, pages196-198
6. Memahon E.I., Perkins I.B., IEEE Frans on Power Appar and System(1964) 83(12) p.1253.
СПЕКТРЫ ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ БИОКОМПОЗИТОВ С _НАПОЛНИТЕЛЯМИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ._
РР!: 10.31618^^2413-9335.2021.5.82.1238
Годжаев Э.М.
Зав. кафедрой физики, профессор, Азербайджанский технический университет,
Баку, Азербайджан Салимова В.В. Ассистент кафедры физики, докторант , Сумгаитский государственный университет, Сумгаит, Азербайджан Алиева Ш.В. Зав.лаб. кафедрой физики, докторант, Азербайджанский технический университет,
Баку, Азербайджан
SPECTRA OF THERMOSTIMULATED DEPOLARIZATION OF BIOCOMPOSITES WITH FILLERS OF BIOLOGICAL ORIGIN.
Gojayev E.M.
Head of Department of Physics, Professor, Azerbaijan Technical University, Baku, Azerbaijan, geldar-Salimova V.V.
Assistant of Department of Physics, PhD doctorante,
Sumgait State University, Sumgait, Azerbaijan, Alieva Sh. V.
Head of laboratory at Department of Physics, PhD doctorante,
Azerbaijan Technical University, Baku, Azerbaijan
РЕЗЮМЕ
В работе изложены результаты исследования спектров термостимулированной деполяризации полиэтилена высокого давления модифицированные наполнителями биокомпозитов с наполнителями биологического происхождения.-рыбьей кости и рыбьей чешуи. Выявлено, что вариацией объемном содержании биологических наполнителей можно управлять стабильность и величины поверхностной плотности объемных зарядов. Определены оптимальные значения бионаполнителей способствуюшие стабильности поверхностной плотности исслеованных биокомпозитов.
Ключевые слова: спектров термостимулированной деполяризации, наполнители биологического происхождения, рыбьей кости, рыбьей чешуи, полиэтилен высокого давления, ток ТСД.
Введение
Известно, что в объеме полимеров с наполненными частицами формируются, в зависимости от технологи получения и внешних физических условий, различные, надмолекулярные структуры, чувствительные к воздействию внешних факторов. Известно также, что композиции обычно после
электротермополяризации приобретают
интересными физическими свойствами. Электротермополяризации полимерных
композиций в свою очередь меняет их структуры и зарядовое состояния [1-4]. Из анализа литературных данных следует, что изменение свойств полимерных композиций может происходит вследствие взаимодействий между фазами объемного заряда, накапливаемого в композиции в процессе электротермополяризаций. В последные годы нами получены и кмплексно исследуется биокомпозиты с наполнителями биологического происхождения, в частности, чешуи и кости рыбы [5-8]. Метод термодеполяризации позволяет вести исследования в области инфранизких частот что важно при изучении медленных молекулярных процессов. Такие процессы, связанные началом сегментальной
подвижности полимеров в условиях, когда частот и переориентации диполей сегментов близка нулю
В настоящей работе изложены результаты исследования спектров термостимулированной деполяризации в полиэтилене высокого давление модифицированного наполнителями
биологического происхождения.
Методика эксперимента Композиты получены следующим образом: в гранулированный полиэтилен высокого давления (ПЭВД) марки 10803-020, методом механического смешивания введена, нами предложенные добавки биологического происхождения- чешуи и кости рыбы. Смешивания продолжалось около 30-40 минут. Для получения порошков наполнителей, в начале чешуя и кости рыбы тщательно очищали и осушили постепенным увеличением температуры до 500С, выдерживая при этой температура 24 часа, затем в специально перемалывались в порошок. Композиты получали из гомогенной смеси порошков компонентов матрицы и наполнителей с помощью обогреваемого пресса при температуре 420 К и давлении и 15 МПа. Режим кристаллизации и закалки- быстрое охлаждение образцов в смеси вода-лед.
Рис.1. Электродные устройства для снятия кривых ТСД биокомпозитов: 1-металлическая корпус; 2- тефлоновые втульки; 3-электроды; 4- образец; 5- печь.
Одним из методов термоактивационной спектроскопии является метод
термостимулированная деполяризация (ТСД), которых успешно применяется для исследования зарядовых состояний и релаксационных процессов в диэлектриках [9]. Для исследования токов ТСД биокомпозитов в температурном интервале 300-520 К разработана установка, показанная на рис.1. Установка состоит из камеры 1, в которых расположены в тефлоновых изоляторах 2, электроды 3, между которыми располагается образец 4. На нижнем электроде расположена печь сопротивления 5 в этом же электроде расположена термопара. Электроды с помощью специального кабеля присоединяется к электрометру В7-30. Сигнал с выхода электрометра подается на вход у двухкоординатного самописца, к входам которого присоединена термопара. Регулирование температуры Т образца по линейному закону осуществляется с помощью устройства, состоящего из трех автотрансформаторов, соединённых как показано на рис. 1.
С помощью первого автотрансформатора устанавливается начальное напряжения и1 на печи 5, с помощью второго авто-трансформатора конечное напряжение - и2. Изменения напряжения на печи от начального до конечного производится с помощью третьего автотрансформатора, обмотка которого присоединена к движкам первых двух автотрансформаторов, а его движок перемещается с помощью двигателя РД-09 с редуктором. Подбирая напряжения и и и2 можно добиться того, чтобы температура образца ровно линейному закону, при этом и2 определяет конечную температуру, а и1- скорость нагрева. На этой установке исследовались ТСД биокомпозитов.
Экспериментальные результаты и их обсуждение.
Известно, что практически всем диэлектрикам, в том числе полимерам и полимерным композитам, присуще электретное состояние
характеризирующееся наличием поверхностьных зарядов и возникающее при воздействии на полимер таких внешных факторов, как электрическое поле повыщенной напряженности, облученные электронами, ионами и тд. [10-11]. Зарядовое состояние и релаксация зарядов композиций оцениваются по температурным
зависимостям тока термостимулированной деполяризации (ТСД) и поверхностного потенциала. На рис.2 представлены спектры токов ТСД образцов ПЭВД и композитов, модифицированные наполнителями
биологического происхождения. Токи ТСД с противоположным направлением (инверсия) наблюдаемые на рис.2. (кривая 1). поляризованной пленки из ПЭВД, по видимому связаны локальными противонаправленными
проводимостями за счет рекомбинации при нагреве поверхностьных, приповерхностьных и объемных зарядов приобретенных образцом поляризации в поле коронного разряда. По температурному положению пик при 410К связан условно отрицательным знаком, обусловлен зарядами освободившийся из ловущек приповерхностного слоя рекомбинирующийся в объеме полимера. На рис.2 (кривые 2,3,4,5) приведены зависимости токов ТСД композитов на основе ПЭВД при различных содержаниях рыбьей чешуи. Характерными для этих кривых являются относительное смещение высокотемпературного пика в сторону высоких температур и появление новых пиков ТСД при высоких температурах, т.е. при 415, 418,430,435К для композитов с добавками рыбьей чешуи х=1; 3;5; 7. Кроме того, из сравнении токов ТСД исходных образцов ПЭВД и композитов на его основе видно, что введение наполнителя в состав полимера приводит смещению высокотемпературных пиков в сторону высоких температур. Наблюдаемые изменения могут быт связаны с образованием межфазного слоя на границе полимер - бионаполнитель при получении и электронно-ионных процессов происходяших при поляризации этих композитов. Видно, также, что значения тока ТСД в гетерофазных композитах относительно выше в сравнении с чистым полимером. Из сравнении спектров видно, что высокотемпературные пики в спектрах токов ТСД композитов имеют разные направления. Это является результатом разности значений диэлектрической проницаемости полимера и бионаполнителя. Показано, что в зависимости от отношения диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности полимера и наполнителя ток ТСД может быть как положительным, так и отрицательным, что и наблюдается нами полученныхи результатах.
<Ы<Н2, А 12
Рис.2. Спектры термостимулированной деполяризации биокомпозитов ПЭВД+ х об%РЧ:
где, 1-х=0; 2- 0.1; 3-0.4; 4-0.2; 5-0.3.
Можно заметить, что в высокотемпературной части спектра токов ТСД биокомпозитов имеют сложную структуру. В зависимости от количества наполнителя изменяется амплитуда и
температурное расположение
высокотемпературных максимумов. Результаты исследования тока ТСД биокомпозитов ПЭВД +х об%РК (рыбьей кости) приведены на рис.3.
.ЫО12, А 18 л
рис. 3. Спектры термостимулированной деполяризации биокомпозитов ПЭВД+ х об%РК:
где, 1-х=0.1; 2- 0,4; 3-0,2, 4-0,3.
Как следует из рис. 3. на спектре тока ТСД наблюдаются два максимума. Низкотемпературные максимумы наблюдаются в интервале 280-300 К и связаны релаксацией слабосвязанными
поверхностьными зарядами рекомбинирующейся через внешный цеп в электродах, а высокотемпературные пики 340-380К обусловлены зарядами освободившийся поверхностного слоя
рекомбинирующихся в объеме полимера. Следует отметить, что в высокотемпературной части спектров тока ТСД биокомпозитов имеют также сложную структуру. В зависимости от объемного содержания и типа наполнителей изменяется амплитуда и температурное расположение высокотемпературных максимумов. Это свидетельствует о различии структуры межфазных слоев этих композитов. Для биокомпозитов с наполнителями рыбьей чешуи наблюдается два высокотемпературных максимумов.
Интенсивности первых максимумов всех исследованных биокомпозитов относительно высокие чем второй. Это по видимому, обусловлен ростом доли приграничных слоев на границе раздела полимерной матрицы и бионаполнителя. По нашему мнению, первые высокотемпературные максимумы обусловлены освобождением зарядов из глубоких ловушек их можно связать с процессом предплавления кристаллитов полимерной матрицы. С увеличением содержания наполнителя до 5 об%РЧ увеличивается эффективная поверхность приграничного слоя наблюдается перераспределения интенсивностей
высокотемпературных пиков. Дальнейщее увеличение содержание наполнителя приводить снова к уменьшению эффективного приграничного слоя в результате образования агломераторов частиц наполнителя в объеме композита. Таким образом, при объемном содержании биологического наполнителя 3-5 об% стабильность и значения поверхностной плотности можно считать оптимальными.
Заключение
Использованием наполнителей
биологического происхождения (кости и чешуи рыбы) компонентов, установлено, что биокомпозиты, полученные с высокоомными бионаполнителями, проявляют более стабильные электретные свойства, что обусловлено характером взаимодействий поверхности бионаполнителя с матрицей.
Литература
1.M.F.Galikhanov, , D.A.Eremeev, , and R.Y. Deberdeev, , Russian J. Appl. Chem., 2003, vol. 76, no. 10, pp. 1651-1654.
2.A.Samy Madbouly, R.Michael Kessler, Characterization of Polymer Blends by Dielectric Spectroscopy and Thermally Simulated Depolarization Current, Characterization of Polymer Blends, 10.1002/9783527645602, (849-876), (2014).
3.Joseph S. Sedita James M. O'Reilly A thermally stimulated depolarization current study of polymers in the glass transition region, 15-22: 08 April 2004
4.Бордовский Г. А., Гороховатский Ю. А., Гороховатский И. Ю. Особенности электретного состояния композитных полимерных пленок на основе полиэтилена высокого давления // Известия РГПУ им. А. И. Герцена. 2009. Вып. 79. C. 26-34.
5.E. M. Gojayev,N. S. Nabiyev,M. A. Ramazanov,K. Sh. Kahramanov,Sh. V. Alieva,A. A. Ismailov Investigations Microrelief of the Surface, Dielectric Properties and Fluorescence Spectrum of Natural Composite - Fish Scales Physical Science International Journal 6(1): 45-53, 2015, Article no.PSIJ.2015.032
6.Годжаев Э.М., Алиева Ш.В. Надирова Н.Б.Кости и чешуи рыбы их структура и диэлектрические свойства Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук журнал Научных публикаций №11, часть V. 2015 г. c.5-14
7.Gojayev E. M., Salimova V. V. Jabarov S. H. IR absorption spectra of high-pressure polyethylene modified by fish scales Modern Physics Letters B 1950412 (6 pages) c World Scientific Publishing Company DOI: 10.1142/S0217984919504128, 1950412-1-6
8.E. M. Gojayev, Sh. V. Aliyeva, X. S. Khalilova, G. S. Jafarova, S. H. Jabarov The dielectric properties and electrical conductivity of LDPE modified by fillers of biological origin International Journal of Modern Physics B Vol. 33 (2019) 1950309 (10 pages) c World Scientific Publishing Company DOI: 10.1142/S0217979219503090, 1950309-1
9.Э. М. Годжаев, А. Н. Мирзоева, А. Ю. Исмаилова Исследования спектров токов Термостимулиро-ванной деполяризации в композитах поливини-лиденфторид + TlInS2 и полиэтилен низкой плотности + Bi2Te3 Перспективные материалы 2017 № 1, 13-18.
10.E. M. Godzhaev, A. M. Magerramov, S. S. Osmanova, M. A. Nuriev & E. A. Allakhyarov (2007)Charge state of composites based on polyethylene with semiconductor filler TlInSe2 Surface Engineering and Applied Electrochemistry volume 43, pages148-151
11.E. M. Gojayev, Sh. V. Aliyeva, V. V. Salimova , A. Yu. Meshalkin , S. H. Jabarov The Influence of UV Irradiation on Dielectric Properties of Biocomposites ISSN 1068-3755, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2020, Vol. 56, No. 6, pp. 740-745. © Allerton Press, Inc., 2020. Russian Text © The Author(s), 2020, published in Elektronnaya Obrabotka Materialov, 2020, No. 6, pp. 99-106.
