1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Химия высоких энергий
  4. T. 56, № 3, 2022

Химия высоких энергий, 2022, T. 56, № 3, стр. 204-207

ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ И РАМАНОВСКИЕ СПЕКТРЫ ГАММА-ОБЛУЧЕННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

М. Ю. Ташметов a, Н. Б. Исматов a, С. Р. Аллаяров b, *

a Институт ядерной физики Академии наук Республики Узбекистан
100214 Ташкент, Узбекистан

b Институт проблем химической физики Российской академии наук
142432 Черноголовка, Россия

* E-mail: sadush@icp.ac.ru

Поступила в редакцию 26.11.2021
После доработки 10.01.2022
Принята к публикации 14.01.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследовано влияние дозы γ-облучения на шероховатость поверхности и спектры КР полиэтилена высокого давления. После облучения дозой 900 кГр повышается средняя шероховатость поверхности полимера на 62%. Спектр КР облученного полимера совпадает со спектром исходного полимера за исключением незначительного повышения в облученном образце интенсивности пика с частотой 1419 см–1.

Ключевые слова: полиэтилен высокого давления, γ-облучение, шероховатость, КР-спектры

В настоящее время разработка новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками на базе полимеров, используемых в условиях абразивных и активных сред, является весьма актуальной. Полиэтилен (ПЭ) является одним из самых распространенных полимерных материалов, широко применяемых в различных отраслях промышленности, начиная от пакетов и заканчивая сверхпрочной броней. В основном существуют три вида ПЭ: ПЭ низкого давления, сверхвысокомолекулярный ПЭ и ПЭ высокого давления. ПЭ низкого давления отличается малым количеством молекулярных ответвлений. Сверхвысокомолекулярный ПЭ состоит из длинных линейных цепочек ПЭ, где масса одной макромолекулы может достигать 6 × 106. Объектом данной работы был выбран полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Особенностью структуры данного типа ПЭ является присутствие протяженных и коротких ответвлений, что позволяет достичь гибкости, мягкости, влагостойкости, химической стойкости, ударной вязкости, диэлектрических свойств, надежности электрической изоляции, термоусадочных свойств изделий из него [1].

Влияние внешних факторов, таких как температура, радиация и давление, на ПЭВД приводит к получению качественно новых материалов с улучшенными свойствами. Радиационные превращения в ПЭ изучены достаточно широко в работе [2, 3 ] и широко применяются на практике [2]. Под влиянием ионизирующих излучений различной мощности в ПЭ происходят глубокие радиационно-химические и структурные изменения [3 ] . В ходе облучения ПЭ излучением высоких энергий могут протекать одновременно и независимо друг от друга следующие процессы: образование химических связей между макромолекулами – сшивание [4]; разрыв связей в главных цепях и образование молекул меньшей длины – деструкция [3 ] ; появление и изменение числа и расположения двойных связей [5]; окисление [6]; увеличение с дозой γ-облучения весового содержания цепей в структуре аморфного блока в аморфно-кристаллической структуре полимера [7] и другие, которые в зависимости от дозы и условий облучения приводят к различным конечным продуктам. По типу процесса, наиболее сильно влияющего на свойства облученного полимера, ПЭ можно считать преимущественно радиационно-сшивающимся [3, 8 ] и самым перспективным полиолефином для использования радиационного способа сшивки [9].

При радиолизе ПЭ наблюдается повышение твердости и разрывной нагрузки с увеличением дозы облучения [10] и происходят изменения других физико-механических свойств полимера [11], связанные, в первую очередь, с радиационной сшивкой полимера [12]. Показано [13], что после радиационной сшивки рентгеновским излучением механическая прочность и твердость ПЭ увеличивается на 40–60%. Предполагается [14], что процессы сшивки и деструкции ПЭ зависят от его молекулярной массы, и чем больше молекулярная масса, тем больше содержание межфибриллярных аморфных фаз, стимулирующих радиационную сшивку.

В спектрах КР полиэтилена с различной плотностью обнаружены 9 пиков, четыре из которых соответствуют С–С моде, а пять СН2 моде [15]. В спектре КР полиэтилена низкого давления выделено 8 сильных и два слабых пика [12], интенсивность которых незначительно снижается после облучения дозой 200 кГр.

Целью настоящей работы было изучение влияние γ-облучения на шероховатость и спектры КР поверхности ПЭВД.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали образцы ПЭВД в виде пластинки с размерами 20 × 10 × 2.5 мм. Исследование морфологии поверхности ПЭВД до и после γ-облучения проводилось на сканирующем зондовом микроскопе SPM 9700HT. Для этого выбирался участок образца размером 30 × 30 мкм и в нем в двух произвольных направлениях определялось количество “пиков-выступов”, их полуширина и высота.

Микрофотографии и спектры КР образцов ПЭВД получены на микроскопе SPM 9700HT и Raman микроскопе (мультимодальная оптическая платформа CARS). В качестве источника возбуждения использовался твердотельный He‒Ne лазер с длиной волны 633 нм со спектральным разрешением не хуже ±0.5 см–1 и с размером пятна на образце ПЭ порядка 1 мкм. Время накопления сигнала составляло 10 с, а мощность излучения 1.1 мВт.

Облучение образцов полимера γ-лучами 60Со проводилось на воздухе с использованием установки ГИК-7-4 при 23°С. Мощность дозы облучения 0.7 Гр/с.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 и 2 приведены результаты исследования шероховатости поверхности исходного и облученного дозой 400 кГр ПЭВД, измеренные на сканирующем зондовом микроскопе. Среднюю шероховатость поверхности ПЭВД определяли на снимках по высоте сканирующего зондового микроскопа и рассчитывали, используя формулы [16]:

${{R}_{z}} = \frac{1}{5}\left( {\sum\limits_{i = 1}^5 {\left| {{{h}_{{i\max }}}} \right|} - \sum\limits_{i = 1}^5 {\left| {{{h}_{{i\min }}}} \right|} } \right),$
где hi max – максимальная высота i-го бугорка, hi min – минимальная высота i-го бугорка.

Рис. 1.

Шероховатость поверхности исходного (а) и γ-облученного ПЭВД (б). Доза облучения 400 кГр.

Рис. 2.

Результаты измерения размеров шероховатости поверхности исходного (а) и γ-облученного ПЭВД (б). Доза облучения 400 кГр.

Максимальное расчетное значение среднего арифметического отклонения профиля исходного образца ПЭВД составляло Rа = 73.1 нм при высоте средней шероховатости Rz = 417 нм. Из рис. 1а, 1б видно, что под воздействием γ-излучения шероховатость поверхности полимера сглаживается, хотя при этом увеличивается ширина бугорка и вырастает их высота. В результате с повышением дозы облучения до 400 кГр максимальные значения среднего арифметического отклонения профиля и высоты средней шероховатости поверхности возрастают до Rа = 93 нм и Rz = 618 нм. Дальнейшее повышение дозы облучения до 900 кГр приведет к еще большему увеличению их значения до Rа = 163 нм и Rz = 679 нм. Из-за увеличения высоты бугорка на поверхности облученного образца шероховатость его поверхности увеличивается на 62%.

На рис. 3 приведены КР-спектры до (а) и после (б) γ-облучения дозой 900 кГр образцов ПЭВД. В них наряду с отдельными пиками присутствуют пики ассиметричной формы. Для точного определения центра пиков проводили их разложения с использованием функций Гаусса в предположении присутствия двух и более пиков. Анализ показал, что пики с частотами 884 и 1081 см–1 соответствуют аморфной фазе моде С–С, пики с частотами 1064 и 1130 см–1 соответствуют моде С–С, пики с частотами 1170, 1296, 1371, 1419 и 1440 см–1 соответствуют моде СН2. На КР-спектрах ПЭВД, облученного дозой 900 кГр (рис. 3б) присутствуют те же пики, что и в исходном образце полимера с одинаковой частотой смещения. При этом в облученном полимере наблюдается незначительное повышение интенсивности пика с частотой 1419 см–1.

Рис. 3.

Спектры КР образцов исходного (а) и γ-облученного ПЭВД (б). Доза облучения 900 кГр.

Таким образом, пики в КР-спектре исходного ПЭВД практически не претерпевают изменения после γ-облучения дозой до 900 кГр. В них не наблюдается смещение центров пиков и не появляются новые пики. Аналогичный результат был получен при облучении ПЭ высокой плотности ускоренными электронами в работе [12]. Следует отметить, что пики, приписанные в работе [15] к моде С–С (897, 1067, 1084 и 1132 см–1) и СН2 (1174, 1299, 1374, 1421, 1445 см–1) в КР-спектре ПЭ на рис. 3 смещены в сторону меньших значений.

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Исследование проводилось в рамках программы научно-исследовательских работ Института ядерной физики Академии наук Республики Узбекистана на 2020–2024 годы, по теме “Радиационно-стимулированные процессы при ядерной трансмутации легированного монокристаллического кремния” в лаборатории радиационной физики и техники твердотельной электроники. С Российской стороны работа поддержана Государственным заданием АААА-А19-119041090087-4.

Список литературы

  1. Abdel M.A., Aly S.S., Elshaer Y.H. // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2012. № 93. P. 203.

  2. Князев В.К., Сидоров Н.А. Облученный полиэтилен в технике. М.: Химия, 1974. 215 С.

  3. Иванов В.С. Радиационная химия макромолекул. Ленинград: Химия, 1988. С. 320.

  4. Lyons B.J. // Nature. 1962. V. 195. P. 690.

  5. Charlesby A., Gould A. R., Ledbury K.J. // P. Roy. Soc.A.-Math. Phy. 1964. V. 277. P. 348.

  6. 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.

  7. Ольхов Ю.А., Аллаяров С.Р., Смирнов Ю.Н., Ольхова О.М., Белов Г.П., Кисперт Л.Д., Трешер Ж.С., Никелс Д.Е. // Химия высоких энергий. 2007. Т. 41. С. 488.

  8. Пикаев А. К. Современная радиационная химия: Твердое тело и полимеры: Прикладные аспекты. М.: Наука. 1987. 448 С.

  9. Carosena M., Giuseppe G., Umberto P. // Mater. and Manuf. Processes. 2003. V. 18. P. 135.

  10. Sabet M., Soleimani H. // 5th International Conference on Nanomaterials and Materials Engineering, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. V. 204. P. 6.

  11. Suarez J.C.M., Monteirob E.E.C., Mano E.B. // Polymer Degradation and Stability. 2002. V. 75. P. 143.

  12. Manas D., Ovsik M., Mizera A., Manas M., Hylova L., Bednarik M., Stanek M. // Polymers. 2018. V. 10. P. 158.

  13. Новиков Г.К., Федчишин В.В., Смирнов А.И. // Пластические массы. 2019. С. 7.

  14. Селихова В.И., Тихомиров В.С., Щербина М.А., Синевич Е.А., Чвалун С.Н. // Высокомолек. Соед. Серия А. 2001. Т. 43. С. 434.

  15. Sato H., Shimoyama M., Kamiya T., Amari T., Sasic S., Ninomiya T., Siesler H. W., Ozaki Y. // J. Applied Polymer Science. 2002. V. 86. P. 443.

  16. Gadelmawla E.S., Koura M.M., Maksoud T.M.A., Elewa I.M., Soliman H.H. // J. Materials Technology. 2002. V. 123. P. 133.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Химия высоких энергий

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал