Введение к работе
Актуальность темы. Электреты из полимерных материалов широко применяются в различных областях человеческой деятельности. Диапазон их использования простирается от бытовой техники до техники специального назначения. На использовании электретного эффекта основана работа электретных микрофонов, дозиметров, датчиков давления, сурдотелефонов, воздушных фильтров, электромеханических преобразователей. Полимерные электреты применяются при изготовлении искусственных кровеносных сосудов с целью уменьшения тромбоза крови, упаковочных материалов для увеличения срока хранения продуктов, антикоррозийных изоляционных покрытий.
Постоянно расширяющаяся сфера применения полимерных электретов вызывает интерес к получению полимеров с определенным сочетанием свойств, присущих тому или иному материалу. Существует несколько способов изменения электрофизических (в том числе и электретных) свойств полимеров: добавление в объем полимера дисперсных наполнителей [1], модифицирование поверхности полимера различными методами [2, 3], смешение различных полимеров [4] и др. К преимуществам метода получения материалов с заданными свойствами путем введения в полимерную матрицу дисперсного наполнителя можно отнести следующие факторы: улучшение механических свойств исходного полимера (прочности, твердости и т.д.); ускорение процессов разложения утилизированных полимеров; возможность изменения формы полимера после электризации без существенных потерь поверхностного заряда.
В настоящее время имеется достаточно большое количество работ по исследованию механических, оптических свойств композитов, их структуры (степени кристалличности, размера структурных единиц). Однако при широком практическом применении композитных полимеров практически не имеется моделей, которые объясняют процессы, отвечающие за изменение электретных свойств полимеров при введении в них наполнителей.
В связи с этим является актуальным исследование влияния дисперсных наполнителей на электрофизические свойства полимеров, а также выяснение механизмов, отвечающих за релаксацию электретного состояния.
В качестве матрицы для изготовления композитных материалов был выбран полипропилен (ПП) как один из самых дешевых и часто используемых полимеров, добавление наполнителя в который не вызывает никаких трудностей.
Таким образом, целью работы являлось установление механизмов релаксации электретного состояния в композитных пленках на основе полипропилена с дисперсными наполнителями.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
определить зависимость температурной и временной стабильности электретного состояния в композитных пленках на основе полипропилена от объемной доли наполнителя;
исследовать закономерности процессов накопления и релаксации заряда в композитных пленках на основе полипропилена с дисперсным наполнителем;
определить возможное влияние агломерации частиц наполнителя на электрофизические свойства исследуемых материалов.
Объекты исследования. Композитные пленки на основе полипропилена с дисперсными наполнителями в виде аэросила и алюминиевой пудры.
Предмет исследования. Электретные свойства композитных пленок на основе полипропилена.
Научная новизна. В отличие от большинства работ, где закономерности температурной и временной стабильности электретного состояния композитных материалов на основе полипропилена с дисперсными наполнителями объясняются структурными изменениями, возникающими в полимерной матрице при введении в нее наполнителя, снижением молекулярной подвижности фрагментов цепей полимера вследствие их адсорбции на поверхности твердого наполнителя, в данной работе показано, что релаксация электретного состояния в этих материалах может быть связана с их объемной проводимостью. Также установлено, что частицы аэросила в полимерной матрице, помещенной во внешнее электрическое поле, представляют собой макродиполи. В индуцировании дипольного момента частицы участвуют гидроксильные группы, находящиеся на поверхности частиц. Показано, что при определенном содержании наполнителя в полимерной матрице происходит агломерация частиц по более «шероховатым» участкам их поверхности.
Основные положения, выносимые на защиту:
Релаксация электретного состояния в пленках полипропилена и композитах, содержащих в качестве наполнителя аэросил, обусловлена объемной электропроводностью материала.
Частицы аэросила, находящиеся в объеме полимера, выполняют роль макродиполей. В процессе индуцирования дипольного момента участвуют гидроксильные группы, находящиеся на поверхности частицы наполнителя.
Добавление аэросила в полипропилен приводит к уменьшению проводимости полипропилена и, как следствие, к росту термостабильности электретного состояния. Оптимальное содержание наполнителя, при котором время релаксации поверхностного потенциала максимально, не превышает двух объемных процентов.
В композитных материалах, содержащих в качестве наполнителя алюминиевую пудру, при достижении определенного значения объемной доли наполнителя происходит агломерация частиц, что приводит к образованию проводящих кластеров и, как следствие, снижению электретной стабильности полимера.
Теоретическая значимость работы. Предложен механизм, объясняющий повышение температурной и временной стабильности электретного состояния полимера при введении в него дисперсного наполнителя, что вносит вклад в развитие физики композитных полимерных электретов. Предложен механизм, по которому происходит агломерация частиц наполнителя, помещенных в полимерную матрицу.
Практическая значимость работы. Показано, что наполнители, адсорбирующие воду из объема полимера, приводят к значительному повышению температурной и временной стабильности электретного состояния и могут быть использованы при создании активных упаковочных материалов. Результаты работы дают основу для выбора оптимального процентного содержание аэросила в композитных пленках при изготовлении таких упаковочных материалов.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются: применением современных экспериментальных методов по изучению электрических свойств полимеров, достаточным объемом экспериментальных данных, согласованностью полученных результатов с результатами опубликованных работ.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: XI Международной конференции «Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008)» (Санкт-Петербург, 2008 г.), Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.), Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.), Международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция-2010» (Санкт-Петербург, 2010 г.), V Всероссийской каргинской конференции «Полимеры-2010» (Москва, 2010 г.), 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» (Казань, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 из них в реферируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемой литературы, содержащего 143 наименования. Работа содержит 130 страниц, 46 рисунков, 17 таблиц.
