Введение к работе
Актуальность темы. За последние несколько лет в материаловедении образовалась новая сфера, предметом изучения которой являются структура и свойства электретных материалов, используемых в технике, медицине, биотехнологии и других отраслях Данная область характеризуется специфическими методами экспериментальных исследований, основанных на измерении переноса заряда, поляризации и деполяризации диэлектриков, и включает в себя оригинальные методики и физико-математический аппарат, где концентрируются понятия, существующие на стыке нескольких естественных и технических дисциплин
Среди электретных материалов особое место занимают волокиты, в частности, волокниты, получаемые путем экструзии расплава полимера потоком сжатого газа (технология «melt-blowing») Данные материалы характеризуются развитой поверхностью, необычными физико-химическими свойствами и находят широкое применение в качестве фильтрующих материалов Респираторы на основе электретных волокнитов характеризуются малым перепадом давления при высокой скорости фильтрации и превосходят по эффективности механические фильтры Эффективность электретного фильтра повышается при обработке его в коронном разряде, поэтому исследование электретного состояния волокнитов представляется актуальным
Стабильность электретного состояния, кинетические параметры электрически активных дефектов в полимерных волокнитах отличаются от соответствующих параметров в пленках тех же материалов Как показывает анализ материалов последних электретных симпозиумов (ISE-9, Шанхай-1996, ISE-10, Дельфи-1999, ISE-11, Мельбурн-2002, ISE-12, Сальвадор-2005), причина этого явления недостаточно изучена Представляет также интерес выяснение влияния полярности полимерного материала на характер электретного состояния
Наиболее перспективным методом изучения электретного состояния в волокнитах является метод термостимулированной релаксации поверхностного потенциала (ТСРП) Принимая во внимание низкую теплопроводность волокнитов, можно ожидать появление градиента температур в толще образцов в неизотермических измерениях Представляет интерес исследование возможности применения и оценка корректности методов ТСРП и ИТРП (изотермической релаксации поверхностною потенциала) к изучению электретных свойств волокнитов
Работа проводилась при поддержке гранта РФФИ (06-02-81034 2006-2007 гг)
Цель работы. Исследование механизмов релаксации заряда в пленочных материалах и волокнитах (как полярных (ПЭТФ), так и неполярных (ПП)) и выяснение причины повышенной стабильности электретного состояния волокнитов, изучение влияния градиента температур
\Ь
на интерпретацию экспериментальных данных ТСРП и ИТРП, модификация указанных методов с учетом специфики волокнитов Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи
Провести анализ современного состояния физики электретного состояния в полимерных пленочных материалах и волокнитах
Исследовать возможность применения методов ТСРП и ИТРП к волокнитам и, при необходимости, выработать корректную процедуру измерений
Провести сравнительное исследование механизмов релаксации электретного состояния в пленочных материалах и волокнитах в изотермических и термоактивационных режимах
Провести сравнительное исследование механизмов релаксации электретного состояния в неполярных (ГШ) и полярных (ПЭТФ) материалах в изотермических и термоактивационных режимах
Определить кинетические параметры (наиболее вероятное значение энергии активации, эффективный частотный фактор) релаксационных процессов, ответственных за накопление и релаксацию неравновесного заряда и поляризации
Научная новизна. В работе реализован комплексный подход, включающий использование хорошо апробированных методик, таких как термостимулированная и изотермическая релаксация поверхностного потенциала, ИК-спектроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, дифференциально-термический анализ в совокупности с набором аналитических средств, характеризующих строение и структуру полимера Это позволило получить новую информацию об особенностях формирования и релаксации электретного состояния в исследуемых материалах
В рамках развиваемого подхода, в отличие от известных работ, посвященных изучению электретного эффекта в волокнитах, в данной работе получены следующие новые научные результаты:
Исследовано распределение температур между нагреваемой и свободной поверхностью волокнита при одностороннем нагревании в воздушной среде и установлено, что разность температур линейно зависит от температуры нагреваемой поверхности и не зависит от скорости нагрева
Выяснено влияние разности температур между нагреваемой и свободной поверхностью волокнита при нагревании на интерпретацию данных термоактивационной спектроскопии
С помощью численных методов решения обратных некорректных задач математической физики, основанных на регуляризирующих алгоритмах Тихонова, рассчитаны кинетические параметры электрически активных дефектов (ЭАД), участвующих в формировании этектретного состояния в волокнитах на основе ПП и ПЭТФ
Основные положения, выносимые на защиту:
В пленках ПП низкотемпературный релаксационный процесс обусловлен опустошением заряда из ловушек различной глубины для положительных и отрицательных носителей заряда, высокотемпературный процесс связан с нейтрализацией гомозаряда, локализованного на глубоких ловушках, за счет равновесной проводимости по кристаллической фазе
В волокнитах ПП имеют место два релаксационных процесса -релаксация Максвелла-Вагнера и нейтрализация заряда посредством равновесной проводимости по кристаллической фазе Стабильность электретного состояния в волокнитах выше, чем в пленках вследствие различия конформаций кристаллической фазы
В пленках и волокнитах ПЭТФ низкотемпературная релаксация заряда определяется реориентацией полярных групп, высокотемпературная - нейтрализация заряда посредством равновесной проводимости по кристаллической фазе Стабильность электретного состояния в волокнитах выше, чем в пленках
Градиент температур, возникающий в волокнитах при нагревании, ведет к фиктивному уширению энергетического спектра ЭАД Использование метода ТСРП с некоторыми модификациями является корректным, методика ИТРП неприменима к изучению электретных свойств волокнитов
Достоверность и научная обоснованность результатов и выводов диссертации обеспечивается четкой формулировкой изучаемых проблем, использованием адекватных поставленным целям и задачам современных экспериментальных методик, согласованностью полученных результатов с данными независимых методов анализа электрофизических свойств объектов исследования, опорой на современные теоретические представления, учитывающие специфику механизмов электретного эффекта в неполярных и полярных материалах
Теоретическая значимость работы
Определены механизмы релаксации электретного состояния в полимерных пленках и волокнитах на основе полипропилена и полиэтилентерефталата, что расширяет современные представления физики электретного состояния волокнитов
Теоретически обоснована температурная зависимость разности температур между внутренней и внешней поверхностью волокнитов в процессе термической стимуляции
Предложено объяснение более высокой стабильности электретного состояния в волокнитах по сравнению с пленками
Практическая значимость работы
Предложена методика корректного исследования
термостимулированных процессов в волокнитах
Знание механизмов релаксации заряда в волокнитах открывает возможности прогнозирования и целенаправленного изменения свойств фильтрующих материалов на основе волокнитов
Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе в РГПУ им А И Герцена при подготовке магистров наук по направлению «Физика конденсированного состояния»
Рекомендации к использованию результатов диссертационного исследования. Материал исследования может быть использован в НИИ, ВУЗах и на предприятиях, занимающихся разработкой и исследованием активных полимерных диэлектриков ОНПО «Пластполимер», ФТИ им А И Иоффе, СПбГУ, МИРЭА (Москва) и др
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Десятой международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики - 2004) (Санкт-Петербург, 2004 г), Второй международной конференции «Физика электронных материалов» (Калуга, 2005 г), Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Молодые ученые - 2005) (Москва, 2005 г), Третьей Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2007 г), научных семинарах кафедры общей и экспериментальной физики РГПУ им А И Герцена (2005-2007 г г)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 103 источника Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 70 рисунков
