Введение к работе
Актуальность темы.
Создание полимерных материалов с улучшенным комплексом свойств является магистральным направлением физики, химии и технологии полимеров. Эта задача может быть решена, например, при помощи модификации поверхности полимера различными методами, что имеет существенное значение для управления их диэлектрическими свойствами, или добавления в объем полимера различных дисперсных наполнителей. Используя многочисленные приемы модифицирования полимеров, удается улучшать, в частности, их электрофизические и адгезионные характеристики [1-3].
Исследование электрофизических свойств композитных полимерных пленок является актуальной проблемой физики конденсированного состояния. В настоящее время наиболее подробно изучены механические свойства композитов, что объясняется их активным использованием в качестве конструкционных материалов. В то же время отсутствуют систематические исследования электрофизических свойств композитных пленок, хотя материалы на их основе используются как при изготовлении электроакустических и электромеханических преобразователей сигналов, дозиметров, датчиков давления, воздушных фильтров, так и при решении ряда прикладных задач. Например, при создании «активных» упаковочных материалов на основе электретированных полимерных пленок важную роль играют их электрофизические и, в частности, электретные свойства.
В качестве матрицы для изготовления композитного материала был выбран ударопрочный полистирол - один из самых распространенных и недорогих полимеров, создание композитных пленок на основе которого не составляет труда. Важно отметить, что полистирольные материалы (в том числе ударопрочный полистирол) широко используются во многих отраслях высокочастотной техники (в том числе, радиотехники). Ранее было установлено, что введение дисперсных наполнителей в полимерную матрицу может оказывать положительное влияние на температурную стабильность электретного состояния в исследуемом полимере [4,5]. Использование диоксида титана (модификация рутил) в качестве наполнителя обусловлено высоким значением его диэлектрической проницаемости є, что позволяет увеличить значение диэлектрической проницаемости композитных пленок ударопрочного полистирола с добавлением рутила и, тем самым, увеличить эффективность работы созданных на их основе электроакустических и электромеханических преобразователей.
В настоящее время практически нет моделей, помогающих раскрыть механизмы влияния дисперсных наполнителей на электретные свойства композитных полимерных пленок и закономерности протекающих в них релаксационных процессов. В связи с этим исследование процессов релаксации заряда в композитных пленках на основе ударопрочного полистирола с добавлением дисперсного наполнителя (диоксида титана) является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес.
Цель работы.
Определение механизмов и параметров процессов электрической релаксации в композитных полимерных пленках на основе ударопрочного полистирола с дисперсным наполнителем (диоксид титана) для уточнения природы электретного состояния в этих пленках, а также факторов, ограничивающих стабильность электретного состояния.
Задачи, поставленные в работе. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- провести обзор литературных данных по особенностям структуры и электрофизических свойств полистирольных пленок и композитов на их основе, а также характерным для полистирола и ударопрочного полистирола релаксационным переходам и ответственным за них молекулярным механизмам;
выбрать экспериментальные методы, которые позволяют выявить характерные процессы электрической релаксации в исходных (без наполнителя) и композитных пленках ударопрочного полистирола с включениями диоксида титана;
провести экспериментальное исследование закономерностей процессов электрической релаксации в исходных и композитных пленках ударопрочного полистирола при помощи выбранных методов исследования;
из полученных результатов экспериментального исследования установить факторы, влияющие на стабильность электретного состояния в композитных пленках ударопрочного полистирола с добавлением диоксида титана. При помощи численных методов обработки экспериментальных данных восстановить параметры релаксационного процесса (эффективный частотный фактор и энергию активации), определяющего температурную стабильность электретного состояния в исследуемых пленках;
на основе совокупности полученных экспериментальных данных построить модель, позволяющую раскрыть механизмы, ответственные за формирование и повышение температурной и временной стабильности электретного состояния в композитных пленках ударопрочного полистирола;
определить оптимальную объемную концентрацию диоксида титана в композитных пленках ударопрочного полистирола, обеспечивающую в них максимальную стабильность электретного состояния.
Объекты исследования.
В рамках данной диссертационной работы исследовались материалы: пленки из ударопрочного полистирола (ГОСТ 28250-89Е) и пленки из ударопрочного полистирола (толщина пленок 400±50 мкм) с 2%, 4%, 6% и 8% объемной концентрацией включений диоксида титана марки Р-01 (ГОСТ 9808-65) с удельной поверхностью 15 м2/г (размер частиц 0,1-0,8 мкм) в качестве наполнителя. В работе также изучались образцы экструзионного полистирола (ПС) толщиной 12 мкм.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
В композитных полимерных пленках на основе ударопрочного полистирола установлены два релаксационных процесса: низкотемпературный (Т ~ 100С), связанный с переходом вещества из стеклообразного в высокоэластическое состояние, и высокотемпературный термоактивационный процесс (Т ~ 110-140С), заключающийся в выбросе носителей заряда из глубоких ловушек, на которые они были захвачены в процессе электретирования.
-
Температурная и временная стабильность электретного состояния в композитных пленках ударопрочного полистирола с включениями диоксида титана ограничивается процессом выброса носителей заряда, захваченных на глубокие ловушки. Параметры ловушек (энергия активации и эффективный частотный фактор) составляют соответственно: W =1,10 ± 0.03 эВ, юэ=1011с-1.
-
Температурная стабильность электретного состояния композитных пленок ударопрочного полистирола с включениями диоксида титана немонотонно зависит от объемного содержания наполнителя в образцах. Оптимальная концентрация наполнителя, обеспечивающая максимальную стабильность электретного состояния в пленках ударопрочного полистирола, достигается при внедрении 4 об.% диоксида титана.
-
Температура релаксационного перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние в пленках ударопрочного полистирола и в композитных пленках на его основе не зависит от объемного содержания наполнителя (Тс=98±1С) и не влияет на стабильность электретного состояния, в то время как модуль упругости пленок возрастает с увеличением содержания диоксида титана образце.
Научная новизна.
В отличие от предыдущих исследований, где основное внимание уделялось исследованию механических свойств полистирольных материалов, в настоящей работе проведено комплексное исследование процессов релаксации электретного состояния в композитных пленках на основе ударопрочного полистирола с дисперсным наполнителем в виде диоксида титана.
Наряду с известным для ударопрочного полистирола релаксационным переходом из стеклообразного в высокоэластическое состояние, для композитных пленок на его основе обнаружен также термоактивационный релаксационный процесс, появление которого связывается с захватом и выбросом носителей заряда из глубоких ловушек.
Установлены параметры глубоких ловушек носителей заряда (энергия активации и эффективный частотный фактор), обеспечивающих более высокую стабильность электретного состояния в композитных пленках ударопрочного полистирола по сравнению с исходными пленками без наполнителя: энергия активации W=1,10 ± 0.03эВ, частотный фактор юэ=1011с"1.
Показано, что температурная стабильность электретного состояния в композитных пленках ударопрочного полистирола изменяется немонотонно с изменением объемной концентрации наполнителя. Максимальная стабильность электретного состояния в указанных пленках достигается при внедрении в полимер 4 об.% диоксида титана.
Практическая значимость работы.
Установлено, что стабильность электретного состояния в композитных полимерных пленках на основе ударопрочного полистирола с включениями диоксида титана существенно выше по сравнению с исходными пленками без наполнителя. Значение диэлектрической проницаемости композитных пленок в 1,5 раза превышает данное значение для пленок ударопрочного полистирола без наполнителя, что позволяет рассматривать композитных пленки на его основе в качестве перспективного материала для создания электроакустических и электромеханических преобразователей.
Показано, что в композитных полимерных пленках ударопрочного полистирола стабильность электретного состояния немонотонно зависит от объемной концентрации примеси в образце. Определена оптимальная объемная концентрация диоксида титана, которая обеспечивает наибольшую стабильность электретного состояния в пленках ударопрочного полистирола. Благодаря более высокой стабильности электретного состояния композитные пленки ударопрочного полистирола могут использоваться также при создании «активного» упаковочного материала.
Теоретическая значимость работы.
На основании совокупности экспериментальных данных, полученных при исследовании образцов с помощью взаимодополняющих методов термоактивационной, диэлектрической, механической и инфракрасной спектроскопии, предложена модель, позволяющая раскрыть механизмы формирования и повышения стабильности электретного состояния в композитных полимерных пленках на основе ударопрочного полистирола с включениями диоксида титана по сравнению с исходными пленками без наполнителя.
Связь темы с планом научных работ.
Диссертационная работа являлась частью научных исследований, проводимых кафедрой общей и экспериментальной физики, и выполнялась при поддержке гранта РФФИ - 10-02-01065-а и в рамках выполнения госконтракта по ФЦП «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» от 22 марта 2010 г., № 02.740.11.0544.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов основывается на использовании современных представлений теории физики электретного состояния в полимерных материалах и обеспечивается применением комплекса взаимодополняющих экспериментальных методов исследования образцов на современном высокоточном оборудовании и воспроизводимостью полученных результатов.
Апробация результатов исследования. Приведенные в данном диссертационном исследовании результаты были апробированы на конференциях: Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области синтеза, свойств и переработки высокомолекулярных соединений, а также воздействия физических полей на протекание химических реакций» , (10-12 ноября 2010 г., Казань), Двенадцатой международной конференции «Физика диэлектриков (Диэлектрики-2011)» (23-26 мая 2011 г., Санкт-Петербург), Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (27-30 июня, Гомель, Беларусь), Четырнадцатом международном симпозиуме по электретам (14th International Symposium on Electrets), (27-31 августа, Монпелье, Франция).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 из них в реферируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемой литературы, содержащего 133 наименования. Работа содержит 135 страниц, 64 рисунка, 14 таблиц.
Похожие диссертации на Исследование стабильности электретного состояния в композитных полимерных пленках на основе ударопрочного полистирола с включениями диоксида титана
-
