Химия высоких энергий, 2020, T. 54, № 5, стр. 405-410
Влияние ускоренных протонов на молекулярно-топологическое строение полиэтилена
С. Р. Аллаяров a, *, Ю. А. Ольхов a, Д. А. Диксон b, **, Р. С. Аллаяров a
a Институт проблем химической физики Российской академии наук
142432 Московская обл., Черноголовка, Россия
b Алабамский университет Химический факультет
AL 35487-0336 Алабама, Таскалууса, США
* E-mail: sadush@icp.ac.ru
** E-mail: dadixon@as.ua.edu
Поступила в редакцию 25.04.2020
После доработки 25.04.2020
Принята к публикации 30.04.2020
Аннотация
Методами ЭПР спектроскопии и термомеханической спектрометрии изучено влияние МэВ протонов на поверхностные свойства пленки полиэтилена низкой плотности. При облучении протонами сохраняется диблочное аморфно-кристаллическое строение полиэтилена, снижается молекулярная масса и повышается весовая доля кристаллической модификации. В спектре ЭПР облученного полимера регистрируются преимущественно аллильные радикалы. При больших дозах протонной бомбардировки в спектрах ЭПР исчезает сверхтонкая структура, и они превращаются в синглет с шириной линии 4.1 мТ и 3.5 мТ при 23°С и –196°С регистрации соответственно.
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря удачному набору химических и физических свойств (отличные диэлектрические характеристики, высокая химическая и повышенная радиационная стойкость, устойчивость к УФ-излучению, биологическая инертность, легкая перерабатываемость и др.) полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) на данный момент занимает лидирующее место по мировым объемам производства среди множества других полимеров [1]. С точки зрения практического применения радиации для полимеров, он занимает одно из первых мест, и его радиолиз можно выделить в самостоятельный класс вследствие большого числа посвященных этому процессу исследований [2–15]. Такая ситуация сложилась благодаря основному радиационно-химическому процессу, возникающему в ходе радиолиза полиэтилена (ПЭ) – радиационной сшивке [2, 11, 12], которая сделала его одним из перспективных полимеров для использования радиационного способа сшивки [3]. Кроме того, простота химической структуры позволила на примере ПЭ наиболее полно изучить действие различного типа ионизирующего излучения [12, 16] как корпускулярного (быстрые нейтроны [6, 17], α-частицы [10], бета-лучи [18], ускоренные протоны [7, 19], быстрые электроны [8, 9]), так и фотонного характеров (рентгеновские лучи [4], гамма-лучи [5, 20, 21]). В зависимости от условий облучения при радиолизе ПЭ, наряду с радиационной сшивкой, могут происходить также разрыв связей в главных цепях полимера с образованием молекул меньшей длины [12], появление и изменение числа и расположения двойных связей [13, 14, 22] и другие радиационно-химические процессы.
При облучении ПЭ излучением высокой энергии образуются и стабилизируются свободные радикалы, участвующие в пострадиационных химических процессах. Они весьма стабильны [23–26], и по данным [27] в кристаллических областях облученного ПЭ стабильные радикалы могут сохраняться при хранении образца в вакууме при комнатной температуре или при 75°С более четырех лет. Однако они весьма чувствительны к присутствию кислорода, и при контакте с ним происходит значительное снижение концентрации радикалов и изменения в спектре ЭПР, свидетельствующие об окислении макрорадикалов в облученном ПЭ [27]. Свободные радикалы играют важную роль в радиационной электропроводности ПЭ [28], поскольку они, образуясь в ходе радиолиза, имеют более низкий потенциал ионизации, чем молекулы основного вещества, и к тому же обладают положительным сродством к электрону [29]. Участие свободных радикалов в пострадиационном окислении приводит к существенному увеличению свободной поверхностной энергии, ее кислотно-основной составляющей и полярности поверхности вследствие появления функциональных групп в поверхностном слое [19]. С другой стороны, взаимодействие свободных радикалов с кислородом воздуха при облучении полимера в присутствии воздуха может приводить к окислительной деструкции макромолекул [20, 30, 31], что может существенно ухудшить эксплуатационные характеристики полимера [16, 32].
Использование ускоренных заряженных частиц является весьма перспективным методом радиационной модификации ПЭ как за счет создания радиационных дефектов, так и за счет радиационно-химических превращений, создаваемых промежуточными активными частицами (свободными радикалами, ион-радикалами, ионами и т.п.) [33–36]. Уместно отметить, что изделия из ПЭ могут применяться для эффективной защиты от нейтронов и альфа-излучения, а сверхвысокомолекулярный ПЭ, включающий в себя изотоп бора-10, уже сейчас предлагается в качестве покрытия для скафандров, защищающего от космического излучения [37].
Известно [21, 39], что гамма-облучение ПЭ может существенно изменить молекулярно-топологическую структуру полимера. Исследование влияния ионизирующего излучения на молекулярно-топологическое строение ПЭ является, несомненно, актуальным, поскольку молекулярная масса (ММ) и молекулярно-массовые характеристики, наряду с химической структурой цепи полимера, являются основными определяющими всего комплекса его физико-химических и механических свойств. Однако, несмотря на довольно большое количество исследований, посвященных радиолизу ПЭ, можно констатировать практически отсутствие данных по влиянию ускоренных частиц на молекулярно-топологические параметры ПЭ.
Целью настоящей работы было впервые проведенное исследование молекулярно-топологической структуры облученного МэВ протонами ПЭНП методом термомеханической спектрометрии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Промышленная пленка ПЭНП с толщиной 1.0 мм была куплена у компании “McMaster-Carr Supply Company” (Атланта, Штат Джорджия, США) и использована в работе без дополнительной очистки.
Ускоренные протоны генерировали на ускорителе заряженных частиц в центре по облучению материалов имени Ховарда Дж. Фостера при Алабамском университете в городе Нормале, штат Алабама, США (Howard J. Foster Center for Irradiation of Materails of Alabama A&M University, USA, Alabama State, Normal). Мишень полимера в виде пленки толщиной 1 мм была бомбардирована 1, 2 и 4 МэВ протонами. Ток облучателя поддерживали в районе 300 нА во избежание перегрева поверхности образца полимера под пучком протонов. Остаточное давление выделяемых газов в облучателе поддерживали в пределах 0.13 × 10–3 Па.
Термомеханический анализ проводили по методике, описанной в работах по использованию метода термомеханической спектрометрии (ТМС) для анализа полимеров [21, 38, 39]. Точность и воспроизводимость метода ТМС были проанализированы в работе [40]. Точность температурных измерений в блоке термостатирования термоанализатора УИП-70 равна ±0.05°С. Точность измерения деформации ±5 нм. Ошибка измерений ММ и свободного объема (Vf) не превышала 10%. Остальные характеристики воспроизводились в пределах ошибок до 10% из-за неоднородности материалов и различий в их термической предыстории.
Запись спектров ЭПР осуществляли при ‒196°С и 23°С спектрометром VARIAN E112 на частоте 9.35 ГГц.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены кривые термомеханического анализа исходного ПЭНП (а) и его аналога (б), облученного ускоренными протонами. Анализ термомеханической кривой (ТМК) позволяет определить α1, α2-коэффициенты линейного термического расширения в застеклованном и высокоэластическом состояниях, соответственно; αк – коэффициент линейного термического расширения в кристаллическом блоке; Tc – температуру расстеклования аморфного блока; Tп – температуру начала плавления в кристаллическом блоке; T∞ – температуру начала равновесного состояния сетки (плато высокоэластичности); Vf – свободный геометрический объем; $\overline {{{M}_{{{{c}_{n}}}}}} ,$ $\overline {{{M}_{{{{c}_{w}}}}}} $ – среднечисленную и средневесовую ММ в псевдосетчатой структуре аморфного блока соответственно; $\overline {M_{w}^{{\text{к}}}} $ – молекулярную массу в кристаллическом блоке; $\overline{\overline {{{M}_{w}}}} $ – усредненную по блокам средневесовую ММ; Kа – коэффициент полидисперсности в аморфном блоке; φа, φк – соответственно весовые доли аморфного и кристаллического блоков; TТ – температуру начала молекулярного течения полимера.
На ТМК полимера регистрируется двухблочная аморфно-кристаллическая структура (рис. 1а). “Узлами” разветвления псевдосетчатого строения сетки аморфного блока являются кристаллические структуры макромолекул ПЭНП. Химическая структура цепей полимера обеспечивает формирование в различном температурном диапазоне одного аморфного блока с температурой стеклования Tс = –14°С (точка В). Три структурных состояния аморфного блока (стекло, переходная область и плато высокоэластического деформирования) находятся на ТМК на участках: прямая АВ (стекло), кривая ВС (переходная область) и прямая CД (плато высокоэластичности). При температуре Tс = –14°С (точка В) начинается формирование переходной области аморфного блока (кривая ВС) со среднечисленной $\overline {{{M}_{{{{c}_{n}}}}}} $ = 239 000 и средневесовой $\overline {{{M}_{{{{c}_{w}}}}}} $ = 342 400 молекулярными массами. При температуре T∞ = 50°С (точка С) заканчивается переходная область, и ПЭНП переходит в область плато высокоэластического деформирования (прямая СД). Такое термостабильное (высокоэластическое) состояние межузловых цепей псевдосетки аморфного блока в первую очередь обеспечивается стабильностью кристаллических “узлов” разветвления, кристаллиты которых при плавлении расширяются с повышением температуры с постоянной скоростью, равной αк = 87 × 10–5 гр.–1, начиная с температуры Tп = 66°С. При этом αк/α1 > 6, что свидетельствует о плавлении кристаллической фазы [41]. Весовое содержание цепей в структуре каждого из блоков ПЭ соотносится как 0.78 : 0.22 для аморфного и кристаллического блоков соответственно.
Облучение 1 МэВ протонами мало изменило молекулярно-топологическое строение полимера. Псевдосетчатая структура аморфного блока облученного полимера, также как и не облученного, формируется “узлами” разветвления кристаллического блока (табл. 1).
Таблица 1.
Анализируемый параметр | Исходный сополимер | Облученный полимер |
---|---|---|
Аморфный блок-матрица псевдосетчатого строения | ||
Tc, К | –14 | –20 |
α1 × 105, град–1 | 12.8 | 14.3 |
α2 × 105, град–1 | 40.8 | 47.1 |
Vf | 0.213 | 0.249 |
$\overline {{{M}_{{{{c}_{n}}}}}} $ × 10–3 | 239.4 | 40.4 |
$\overline {{{M}_{{{{c}_{w}}}}}} $ × 10–3 | 342.4 | 56.3 |
Ka | 1.43 | 1.40 |
φa | 0.78 | 0.58 |
Кристаллический блок-узел разветвления | ||
Tп, К | 66 | 70 |
αк × 105, град–1 | 87.0 | 88.4 |
$\overline {M_{w}^{{\text{к}}}} $ × 10–3 | 125.9 | 89.1 |
φк | 0.22 | 0.42 |
TТ, К | 98 | 99 |
Усредненная по блокам молекулярная масса сополимера | ||
$\overline{\overline {{{M}_{w}}}} $ × 10–3 | 294.8 | 70.1 |
ТМК облученного ПЭНП приведена на рис. 1б. Застеклованное состояние облученного полимера находится в том же температурном диапазоне, что и у не облученного. Величина его температуры стеклования Tс равна –20°С, что свидетельствует практически о равной молекулярной подвижности межузловых цепей в псевдосетках аморфного блока исходного и облученного полимеров. Коэффициент линейного термического расширения в застеклованной зоне (прямая АВ) облученного ПЭНП равен α1 = 14.3 × 10–5 гр.–1, а в области плато высокоэластического расширения (прямая СД) α2 = 47.1 × 10–5 гр.–1, что определяет величину свободного объема в этом блоке Vf = = 0.249. Это немного выше, чем в аналогичном блоке не облученного ПЭНП (Vf = 0.213).
При Tс = –20°С (точка В) начинается формирование переходной области аморфного блока (кривая ВС) со среднечисленной $\overline {{{M}_{{{{c}_{n}}}}}} $ = 40 400 и средневесовой $\overline {{{M}_{{{{c}_{w}}}}}} $ = 56300 молекулярными массами. При температуре T∞ = 34°С (точка С) заканчивается переходная область и ПЭНП переходит в область плато высокоэластического деформирования (прямая СД).
При температуре T∞ = 34°С вновь изменяется скорость расширения – она снижается до α2 = = 47.1 × 10–5 гр.–1, и температурный интервал существования такого состояния продлевается до температуры Tп = 70°С. При температуре в точке Д (Tп = 70°С) начинает резко возрастать скорость расширения ПЭНП, достигая в стационарном состоянии значения αк = 88.4 × 10–5 гр.–1. Отношение этой величины к α1, значительно превышающее 6, свидетельствует о плавлении закристаллизованных фрагментов макромолекул ПЭНП (прямая ДО) [41].
Их молекулярная масса Mк пропорциональна ΔT = TТ – Tп (TТ, Tп – температуры течения в точке О и плавления соответственно) и равна [42]: LgMк = 2.3 + [11ΔT/(100 + ΔT)].
Для облученного ПЭ молекулярная масса Mк = = 68 100, а весовая доля кристаллитов этой модификации φк = Hк/Hо = 0.42 (Hо – высота образца).
Таким образом, весовое содержание цепей в структуре каждого из блоков ПЭНП, облученного 1 МэВ протонами, соотносится как 0.58 : 0.42 для аморфного и кристаллического блоков соответственно. Усредненная по блокам ММ была рассчитана с использованием уравнения усреднения: $\overline{\overline {{{M}_{w}}}} $ = $\overline {{{M}_{{{{c}_{w}}}}}} {{\varphi }_{{\text{a}}}}$ + $\overline {M_{w}^{{\text{к}}}} {{\varphi }_{{\text{к}}}}$ = 70 100.
Анализ данных ТМС показал, что ускоренные 4 МэВ протоны оказывают влияние на параметры топологической структуры ПЭНП, сохраняя его диблочное аморфно-кристаллическое строение. Отмечено уменьшение молекулярной массы полимера и повышение кристалличности в облученном полимере (табл. 1).
Влияние МэВ протонов на тепловые свойства ПЭНП в условиях эксперимента было обсуждено в работе [19]. Анализ кривых ДСК показал, что использованная марка ПЭНП-пленки имеет поликристаллическое строение с большим содержанием кристаллических структур с плавлением при 68, 105.6 и 122.2°С. На кривой ДСК образца полимера, бомбардированного МэВ протонами, кроме этих пиков плавления регистрируется плавление кристаллической модификации при 89°С. Сравнительный анализ кривых ТГА исходного и облученного протонами полимера показывает, что облучение ускоренными протонами понижает температуру начала эффективной деструкции, тем самым снижая термическую устойчивость полимера. Сравнительный анализ ДСК кривых, приведенных в [19], и кривых ТМС на рис. 1 показывает, что температура начала плавления кристаллической фракции полимера 66°С на кривой ТМС совпадает с температурой 68°С, при которой проявляется малоинтенсивный эндотермический пик на кривой ДСК полимера. Температура молекулярного течения полимера при 98°С на кривой ТМС близка к температуре 105.6°С, при которой на кривой ДСК регистрируется минимум эндотермического пика плавления ПЭНП.
Спектры ЭПР пленки ПЭНП, бомбардированной различной дозой МэВ протонов, представлены на рис. 2. Их анализ показал, что в протонно-бомбардированной пленке ПЭНП стабилизируются в основном аллильные радикалы: –СН2–С•Н–СН=СН–СН2– с квинтетным спектром и с расщеплением ~2.0 мТ при 23°С (рис. 2а, 2б). Общая ширина спектра составляет 13.5 мТ. По нашему мнению, сигнал из пяти линий СТС обусловлен константами СТВ аα(H) = = аβ1(H) = 2.0 мТ в аллильном радикале. При относительно больших дозах протонной бомбардировки СТС спектра исчезает, и спектр превращается в синглет с шириной линии ΔH ≈ 4.1 мТ (стрелками указана на рис. 2в). Известно [43, 44], что спектр ЭПР аллильных радикалов зависит от температуры, что объясняется изменением константы СТВ для β-протонов с температурой, в то время как константа СТВ для α-протонов остается постоянной. В результате форма линии ЭПР в спектре бомбардированного ПЭНП обратимо изменяется при охлаждении образца от 23°С (рис. 2а–2в) до –196°С (рис. 2г–2е). При –196°С спектр аллильного радикала переходит в плохо разрешенный многокомпонентный спектр. В спектре ЭПР образца ПЭНП, бомбардированного большой дозой МэВ протонов, при –196°С, так же как и при регистрации при 23°С, наблюдается исчезновение СТС, и спектр превращается в синглет с шириной ≈3.5 мТ (рис. 2е). В ходе бомбардировки ПЭНП ускоренными протонами вероятнее всего происходит разрыв С–Н-связи с первичным образованием алкильных радикалов. Наряду с этим, как и в случае облучения ПЭ ионизирующей радиацией [45], происходит молекулярный отрыв водорода (без образования радикалов) с образованием двойных связей. Происходящая при комнатной температуре миграция свободной валентности в макрорадикале приводит к локализации ее в энергетически выгодном аллильном положении:
Список литературы
https://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00598127_0.htm 06012020
Пикаев А.К. Современная радиационная химия: Твердое тело и полимеры: Прикладные аспекты. М.: Наука, 1987. 448 с.
Carosena M., Giuseppe G, Umberto P. // Mater. and Manuf. Processes. 2003. V. 18. P. 135.
Coffey T., Urquhart S.G., Ade H. // J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2002. V. 122. P. 65.
Elsharkawy E.R., Hegazi E.M., Abd El megeed A.A. // International J. Materials Chemistry and Physics. 2015. V. 1. P. 384.
Tabata Y. // J. Nuclear Materials. 1985. V. 133. P. 781.
Foti A.M., Calcagno L., Baratta G.A., Spinella F., Strazzulla G. // Radiation Effects and Defects in Solids. 1990. V. 112. P. 61.
Ziaie F., Anvari F., Ghaffari M., Borhani M. // Nukleonika. 2005. V. 50. P. 125.
Qu B., Rarby B. // Polymer Engineering & Science. 2004. V. 35. P. 1161.
Charlesby A., Woods R.J. // European Polymer J. 1965. V. 1. P. 161.
Lyons B.J. // Nature. 1962. V. 195. P. 690.
Иванов В.С. Радиационная химия полимеров. Л.: Химия, 1988. 320 с.
Charlesby. A., Gould A.R., Ledbury K.J. // P. ROY. SOC. A. MATH. PHY. 1964. V. 277. P. 348.
Johnson W.C., Lyons B.J. // Radiat. Phys. and Chem. 1995. V. 46. P. 829.
Kim S., Nho Y. Ch. Controlling of Degradation Effects in Radiation Processing of Polymers. Vienna: IAEA, 2009. P. 85.
Сирота А.Г. Модификация структуры и свойств полиолефинов. Л.: Химия, 1984. 150 с.
Seguchi T., Hayakawa N., Yoshida, K. Tamura N. // Radiat. Phys. and Chem. 1995. V. 26. P. 221.
Fiala T., Manas D., Manas M., Ovsik M. // Modern Machinery Science J. 2016. P. 1095.
Аллаяров С.Р., Шаймухаметова И.Ф., Богданова С.А., Белов Г.П., Голодков О.Н., Диксон Д.А. // Химия Высоких Энергий. 2018. Т. 52. С. 273.
Singh. A. // Radiat. Phys. and Chem. 1999. V. 56. P. 375.
Ольхов Ю.А., Аллаяров С.Р., Смирнов Ю.Н., Ольхова О.М., Белов Г.П. // Химия высоких энергий. 2005. Т. 39. С. 428.
Хенли Э., Джонсон Э. Радиационная химия. М.: Атомиздат, 1987. 317 с.
Ohnishi S., Sugimoto S., Nitta I. // J. Polymer Sci. 1963. V. A1. P. 605.
Киселев А.Г., Мокульский М.А., Лазуркин Ю.С. // Высокомолек. соед. 1960. Т. 2. С. 1678.
Антонова Е.Д., Ахвледиади И.Г., Словохотова Н.А. // Высокомолек. соед. 1976. Т. Б18. С. 806.
Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Пшежецкий С.Я. Макрорадикалы. М.: Химия, 1980. 264 с.
Naheed N., Jahan M.S., Ridley M. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 2003. V. 208. P. 204.
Саенко В.С., Фельдман В.И., Тютнев А.П., Ихсанов Р.Ш., Нерето М.О., Баранова И.А. // Химия высоких энергий. 2011. Т. 45. С. 51.
Тальрозе В.Л. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1959. С. 369.
Segushi T., Tamura N. // J. Phys. Chem. 1973. V. 77. P. 40.
Kashiwabara H., Hori Y. // Radiat. Phys. and Chem. 1981. V. 18. P. 1061.
Финкелъ Э.Э., Брагинский Р.П. Радиационная химия полимеров / Под ред. В.А. Каргина. М.: Наука, 1973. С. 195.
Пикаев А.К. // Химия высоких энергий. 2001. Т. 35. С. 403.
Свиридов Д.В. // Успехи химии. 2001. Т. 71. С. 363.
Svorcik V., Kolarova K., Slepicka P., Mackova A., Novotna M., Hnatowicz V. // Polymer Degradation and Stability. 2006. P. 1219.
Зырянов С.С., Кружалов А.В., Нешов Ф.Г., Рябухин О.В. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. С. 57.
https://stimul.online/news/novyy materialdlyazashchitykosmonavtovotradiatsii/08012020
Ольхов Ю.А. Аллаяров С.Р., Смирнов Ю.Н., Ольхова О.М., Кисперт Л.Д., Трешер Ж. С., Диксон Д.А., Никелс Д.Е. // Химия высоких энергий. 2007. Т. 41. С. 488.
Ольхов Ю.А., Аллаяров С.Р., Кочеткова Г.В. // Сборник научных трудов: “Соединение фтора. Химия, Технология, применение”. Санкт-Петербург: Теза, 2009. С. 227.
Jurkowski B., Olkhov Y.A. // Thermocchimica Acta. 2004. V. 414. P. 243.
Ферри Дж. Вязкоупругие свойства полимеров. М.: Изд во иностр. лит., 1963. С. 38.
Beaman R.G. // J. Pol. Sci. 1952. V. 9. P. 470.
Kashiwagi M. // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. P. 575.
Молин Ю.Н., Корицкий А.Т., Шамшев В.Н., Бу-бен Н.Я. // Высокомолек. Соед., 1962. Т. 4. С. 690.
Словохотова H.A., Карпов В.Л. Сборник работ по радиационной химии. Отв. ред. Н. А. Бах. М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1955. С. 196.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Химия высоких энергий