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 υ = 104–105Гц), СВЧ-излучение (частоты около 109Гц), УФ-излучение (частоты около 1015Гц).
Кратковременную предварительную обработку исходного термопласта электромагнитным излучением СВЧ можно применять также для предварительного нагрева исходного материала и для регулирования характеристик изделий в технологии изделий из термопластов [1].
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 эквивалентны 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 активации.
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 = kT/h, (1)
где k – постоянная Больцмана, h – постоянная Планка.
При температурах от нескольких десятков до двухсот оС собственные частоты 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)n в полиэтилене и групп (СН2)5 в поликапроамиде.
В связи с вышеизложенным в качестве объектов исследования выбраны поликапроамид, полиэтилен, полиэтилентерефталат.
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 σи ,МПа (ГОСТ 4648 – 71);
— разрушающее напряжение при растяжении σр ,МПа (ГОСТ 11262-80);
— удельная ударная вязкость aуд , кДж/м2 (ГОСТ 4647 – 80);
— твердость по Бринеллю HB, МПа (ГОСТ 4670-77).
Таблица 1.
Относительное увеличение физико-механических характеристик после предварительной обработки СВЧ-излучением, %
| σ раст | σ изг | а уд | HB | |
| Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) | 12 | 16 | 30 | -32 |
| Полиамид-6 (ПА-6) | 15 | 10 | 21 | 26 |
| Армамид (ПАСН) | 26 | 8 | 26 | 19 |
| Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) | 28 | 40 | 32 | -26 |
Упрочнение ПЭВД и ПЭТФ после обработки СВЧ сопровождается повышением пластичности этих материалов и снижением твердости. Применение СВЧ оказалось наиболее эффективным при обработке ПЭТФ в силу более высокой теплостойкости ПЭТФ по сравнению с другими изученными термопластами. Видимо, макроцепи ПЭТФ обладают оптимальной подвижностью в силу наличия ароматических звеньев в параположении, не нарушающем линейности макроцепей.
При обработке реакционной смеси колебательным воздействием при физической модификации происходит энергетическая подпитка системы в результате подвода дополнительной энергии излучения. Известно, что к подводу энергии наиболее чувствительны процессы, обладающие сравнительно высокими температурными коэффициентами, то есть процессы, требующие сравнительно высоких энергий активации. При отверждении смол конкурируют процесс линейного роста полимерных цепей и процесс сшивания полимерных цепей. Второй процесс сопровождается образованием третичных углеродных атомов. Химические связи этих атомов менее прочны, чем связи вторичных атомов углерода, образующихся при линейном росте цепей. Следовательно, первый процесс требует несколько более высокой энергии активации, чем второй, поэтому первый процесс более чувствителен к энергетическим подпиткам колебательными воздействиями. Ускорение этого процесса оказывает пластифицирующее действие, проявляющееся в увеличении стойкости материалов к ударным воздействиям. Ускорение второго процесса проявляется в увеличении модулей упругости и разрушающих напряжений. Например, после обработки УФИ препрега, содержащего технический полиакрилонитрильный жгутик, пропитанный эпоксидной смолой ЭД-20, наблюдалось преимущественное увеличение ауд. на +40% при одновременном увеличении σи всего на +15%
Список литературы:
- Пятаев И.В., Студенцов В.Н. Физическая модификация электромагнитным излучением СВЧ термопластов, содержащих звенья С2Н4.Научно-практический журнал «Приволжский научный вестник» №1(17) , 2013.- 90 с.- С. 10.
- Студенцов В.Н. Диффузионный механизм отверждения и структура композиционных материалов, армированных химическими волокнами / Журнал прикладной химии. – 1983, номер 9. – С. 2077–2082.[schema type=»book» name=»ФИЗИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ТЕРМОПЛАСТОВ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЕМ » author=»Пятаев Илья Викторович, Студенцов Виктор Николаевич, Москвин Ринат Юрьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]