CC BY
9ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 1998, том 40, № 7, с. ¡213-1215
УДК 541.64:537.6
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ ПОЛИЭТИЛЕНА И ПОЛИПРОПИЛЕНА1
© 1998 г. В. А. Жорин*, Л. Л. Мухина**, И. В. Разумовская**
* Институт химической физики им. Н И. Семенова Российской академии наук
117977 Москва, ул. Косыгина, 4 ** Московский педагогический государственный университет им. В.И. Ленина 119882 Москва, ул. М. Пироговская, 1 Поступила в редакцию 05.08.97 г. Принята в печать 12.01.98 г.
Установлено, что воздействие магнитного поля может приводить к существенному изменению зависимостей микротвердости от глубины вдавливания индентора для ПЭНП, ПЭВП, ПП. Полученные данные свидетельствуют о том, что электрофизическое состояние полимерного материала влияет на величину микротвердости и степень однородности образцов.
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] сообщалось о том, что ультразвуковые измерения для образцов полиуретана, подвергнутых совместному воздействию высокого давления и сдвиговых напряжений, приводили к существенно различным результатам в тех случаях, когда измерения проводили в присутствии и в отсутствие магнитного поля. Распространение акустического возмущения в твердом теле обычно связывают с колебаниями решетки, и при таком подходе довольно трудно объяснить влияние слабого по своему энергетическому воздействию магнитного поля на процесс распространения акустических колебаний в полимерном материале. В то же время магнитное поле может сильно влиять на поведение различного рода электрических зарядов, которые обязательно присутствуют в полимерных материалах после обработки под давлением. Появление зарядов в полимерах может быть связано с электризацией при пластическом деформировании, образованием механоэле-ктретов. Кроме того, на границе раздела полимер-металл наковальни могут формироваться двойные электрические слои.
Важной характеристикой твердого тела, которую обычно связывают с процессом пластического деформирования в микрообластях, является микротвердость. Для материалов с однородной структурой она не зависит от глубины вдавливания индентора в образец, т.е. от нагрузки на ин-дентор. В случае неоднородных образцов, например слоистых структур, это правило нарушается. Микротвердость также существенно зависит от
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российско-
го фонда фундаментальных исследований (код проекта
97-03-32718а).
структуры твердого тела. Так, рост количества структурных дефектов в металлах приводит к увеличению микротвердости. На примере диэлектриков было показано [2], что облучение УФ-или рентгеновским излучением может превратить исходную однородную структуру в неоднородную. Таким образом, имеющиеся экспериментальные данные указывают на то, что величина микротвердости зависит не только от состояния кристаллической структуры, но и от электрофизического состояния диэлектрика.
В связи с этим представляет интерес вопрос о возможном влиянии энергетически слабых воздействий (не влияющих непосредственно на решеточную структуру твердого тела) на физико-механические свойства полимерных материалов. В настоящей работе исследовали влияние магнитного поля на величину микротвердости полимерных материалов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе исследовали зависимости микротвердости Н от глубины вдавливания индентора I для образцов ПЭНП, ПЭВП и ПП. Использовали изо-тактический ПП с М„ = 3.5 х 103 иМ„ = 7.7 х 104, ПЭВП с М№ = 1.8 х 105 и Мп= 162 х 104, а также ПЭНП марки 158-0802 с температурой плавления 379 К. Зависимости Я от I получали для пленок полимеров, приготовленных методом горячего прессования, и для образцов, подвергнутых совместному воздействию высокого давления и сдвиговых деформаций. Обработку полимеров под давлением проводили на аппарате типа наковален Бриджмена при давлении 2 ГПа и комнатной температуре. Использовали наковальни из стали ХВГ с диаметром рабочих поверхностей 20 мм.
1214
ЖОРИН и др.
4 10 16 22 /, мкм
Рис. 1. Зависимости Н от / для ПЭВП (а) и ПП (б): 1 - образец, обработанный под высоким давлением; 2 - тот же образец после магнитной обработки.
Н, кг/мм2
£_а
10 20 /, мкм
Рис. 2. Зависимости Н от I для ПЭВП (1,2) и ПЭНП(5,4): 1,3 — пленки, полученные методом горячего прессования; 2,4- те же пленки после магнитной обработки.
Угол поворота наковален составлял 500°. Рабочие поверхности наковален притирали алмазной пастой (8 класс обработки). После обработки под давлением образцы представляли собой прозрачные пленки толщиной 80-100 мкм. Их микротвердость измеряли на расстоянии 6-7 мм от центра образца на твердомере ПМТ-3; нагрузки на индентор варьировали от 0.5 до 20 г. Проводили 7-10 измерений при выбранной нагрузке, и их результаты усредняли. При этом отклонения от среднего значения не превышали -15%.
Магнитная обработка полимерных образцов заключалась в том, что над поверхностью исследуемых пленок на расстоянии 0.5-1 мм несколько (5-6) раз проводили постоянным магнитом из 5!тСо. При измерениях микротвердости образцы,
как правило, помещали на стеклянную подложку; в случае образцов ПП для сравнения использовали также металлическую подложку.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1а приведены зависимости Я от I для образца ПЭВП, подвергнутого воздействию высокого давления и сдвиговых деформаций, и для этого же образца после магнитной обработки. В обоих случаях микротвердость монотонно снижается с увеличением глубины вдавливания инден-тора. Значения микротвердости уменьшаются при магнитной обработке. Имеется тенденция к уменьшению различий в значениях микротвердости до и после магнитной обработки при 1^20 мкм. Можно предположить, что при глубине вдавливания 1^25 мкм значения микротвердости до и после магнитной обработки совпадут. Это указывает на то, что влияние магнитной обработки распространяется на глубину ~25 мкм. При этом в приповерхностных слоях (/ 6 мкм) влияние магнитной обработки мало, а наиболее сильно оно проявляется на глубине от -10 до -18 мкм.
Вполне аналогичная картина наблюдалась и для образца ПП, подвергнутого воздействию высокого давления и сдвиговых деформаций (рис. 16). Однако в этом случае все изменения происходят в слое толщиной ~14—15 мкм.
Таким образом, влияние магнитной обработки после воздействия высокого давления и сдвиговых деформаций для обоих полимеров (ПЭВП и ПП) сводится к снижению микротвердости при всех значениях /. Глубина, на которой проявляются результаты магнитной обработки, индивидуальна для каждого из этих полимеров.
Согласно работе [3], в полимерных материалах при воздействии высокого давления и сдвиговых деформаций происходят существенные изменения в надмолекулярной структуре. Иначе говоря, обнаруженное влияние магнитной обработки на зависимости Я от I для полимеров, подвергнутых совместному воздействию высокого давления и сдвиговых деформаций, может быть связано с теми изменениями, которые претерпевают полимеры в результате обработки под высоким давлением. Поэтому возникает вопрос о возможном влиянии магнитной обработки на обычные полимерные пленки.
На рис. 2 представлены зависимости Нот I для образцов ПЭНП и ПЭВП, полученных методом горячего прессования. Эти зависимости имеют вырожденный характер. Магнитная обработка образцов приводила к тому, что вид зависимостей Я от / в обоих случаях немного изменялся.
На рис. 3 приведены результаты измерений микротвердости на образце ПП, приготовленном
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ
1215
Н, кг/мм2
15
10
4 8 12 /, мкм
Рис. 3. Зависимости Н от / для ПП: 1 - образец, полученный горячим прессованием; 2, 3 - тот же образец после магнитной обработки на диэлектрической (2) и на металлической подложке (3).
методом горячего прессования. Для исходного образца Я возрастает от 7.5 кг/мм2 при глубине вдавливания индентора 2 мкм до 12.5 кг/мм2 при глубине 5-6 мкм. Замена стеклянной подложки
на металлическую не приводила в этом случае к сколь-нибудь существенному изменению зависимости Я от I.
После магнитной обработки такого образца ситуация становится иной. Данные рис. 3 свидетельствуют о том, что природа подложки радикальным образом влияет на характер зависимости Я от / для образца после магнитной обработки. Основные различия в этом случае проявляются в поверхностном слое толщиной 5 мкм.
Таким образом, во всех случаях магнитная обработка оказывает влияние на величину микротвердости полимерных материалов в поверхностном слое. Толщина этого слоя различна для разных полимеров и существенно зависит от состояния материала. В случае образцов с метастабильной структурой, сформированной при деформировании под высоким давлением, толщина слоя больше, чем для образцов, полученных методом горячего прессования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жорин В.А., Волкова A.B. // Высокомолек. соед. А. 1988. Т. 30. № 9. С. 1862.
2. Новое в области испытаний на микротвердость / Под ред. Хрущова М.М. М.: Наука, 1964. С. 272.
3. Купцов СЛ., Ерина H.A., Жорин В.А., Анти-пов Е.М., Прут Э.В. // Высокомолек. соед. А. 1995. Т. 37. № 10. С. 1692.
The Effect of Magnetic Treatment on Microhardness of Polyethylene and Polypropylene
V. A. Zhorin*, L. L. Mukhina**, and I. V. Razumovskaya**
* Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, ul. Kosygina4, Moscow, 117977 Russia ** Moscow State Pedagogical University, ul. Malaya Pirogovskaya 1, Moscow, 119882 Russia
Abstract—It was found that the exposure of LDPE, HDPE, and PP to a magnetic field may essentially change the dependence of microhardness on the penetration of an indenter. The results obtained indicate that the elec-trophysical state of the polymeric material affects both the microhardness and degree of specimen uniformity.
