Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время среди полимерных оптических материалов наиболее признаны и широко распространены материалы на основе полидиэтиленгликольбисаллилкарбоната (ПДЭГБАК), которые успешно конкурируют с силикатным стеклом в области производства оптических изделий для специальной техники и особенно массового спроса. Органическому стеклу из реактопластичного ПДЭГБАК свойственны высокие оптические характеристики и абразивостойкость. Превосходя по этим свойствам практически все известные оптические материалы из термопластичных полимеров, изделия из ПДЭГБАК по атмосферостойкости и электризуемое уступают силикатным стеклам - традиционному оптическому материалу.
Прогрессивным путем повышения качества изделий из пластмасс является целенаправленная модификация их поверхности физическими и химическими методами. Последние открывают неограниченные возможности совершенствования свойств при условии корректно и рационально разработанной и примененной тонкой технологии специальных многослойных ад-гезионнопрочных полимерных покрытий, которые вместе с основным изначально свегопрозрачным веществом образуют единый псевдомонолитный оптический материал. Создание таких материалов приведет к расширению их ассортимента, в том числе отличающихся по устойчивости к запотеванию. Такие материалы следует рассматривать как новые, которые в перспективе составят реальную статью дохода любого развитого государства в связи с завоеванием новых позиций на рынке.
Анализ имеющейся научной и научно - технической литературы позволяет обоснованно считать, что проблема запотевания оптических изделий до сих пор не утратила своей остроты, но ввиду ее сложности однозначного способа и средства борьбы с ним по сей день не существует.
С точки зрения физической химии, запотевание рассматривают как капелыгую конденсацию паров воды на поверхности, находящейся в градиенте температур, в результате чего малые капли становятся центрами рассеяния света. Последнее обстоятельство является причиной снижения или утраты светопропускания прозрачной средой. На практике приемы борьбы с запотеванием сводятся к следующим подходам: 1) непрерывному поддержанию температуры на поверхности материала выше температуры конденсации (росообразования); 2) проведению неглубокой гидрофилизации поверхности материаіа для создания условий диффузии - сорбции - проницаемости атмосферной влаги в его объем; 3) проведению возможно полной гидрофилизации поверхности материала, обеспечивающей образование не отдельных капель влаги, а сплошной жидкой прозрачной пленки; 4) гидро-фобизации поверхности материала, вызывающей быстрое удаление (скатывание) с нее капель влаги.
Наиболее простым и технологичным является прием защиты с при-
менением гидрофильных полимеров. Однако поглощение ими воды неизбежно приводит к снижению физико - механических характеристик формируемых из них пленок и покрытий из - за набухания. Оно может быть ограничено применением и действием сшивающих агентов.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ - разработка научных основ направленной модификации ПДЭГБАК и получение материалов с устойчивостью к запотеванию.
В работе решались следующие задачи: выбор способа и сравнительное изучение условий модификации поверхности образцов ПДЭГБАК; исследование гидролитической деструкции образцов ПДЭГБАК; определение состава жидких защитных композиций и условий нанесения на поверхность ПДЭГБАК; получение тонких пленок из выбранных составов как моделей покрытий и исследование их свойств; выполнение и изучение свойств опытных монолитизированных образцов в виде многослойных пленок и блоков.
Работа выполнялась в рамках межвузовской научно-технической программы «Конверсия и высокие технологии. 1997 - 2000г.г.» и по персональному гранту для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов Санкт - Петербурга в области гуманитарных, естественных, технических и медицинских наук (1998г.).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В основу направленной модификации ПДЭГБАК была положена гипотеза, согласно которой высокое и устойчивое значение светопропускания полимерных оптических сред может быть достигнуто при реализации общего методологического подхода - создания псевдомонолитного материала путем поочередного нанесения на исходную основу функционально значимых адгезионнопрочных слоев - покрытий. К их формированию привлекаются гидрофильные влагоемкие оптические полимеры, частичная сшивка макромолекул которых обеспечивает физическую структуру, позволяющую оптимально сочетать требуемые свойства.
Гипотеза основывается на современном представлении о механизме запотевания как фазовом переходе "газ - жидкость", развивающимся на поверхности твердого тела и проявляющимся в капельной конденсации на ней атмосферных паров воды.
В результате проведенных исследований высказанная гипотеза нашла свое подтверждение.
Впервые изучены условия предварительной обработки агрессивными жидкостями основной оптической матрицы ПДЭГБАК и их влияние на свойства создаваемых на ее поверхности защитных покрытий из жидких композиций, включающих поливиниловый спирт (ПВС), хитозан (ХТЗ), глицерин - пластификатор, фталевую кислоту (ФК) - сшивающий агент.
Посредством ИК - спектроскопии изучен состав активированной поверхности ПДЭГБАК и встречными специальными опытами доказано воз-
никновение на ней активных гидроксильных групп - потенциальных адгезионных центров. Методом растровой электронной микроскопии показано сохранение после химического травления характера глобулярной микронеоднородной структуры поверхности ПДЭГБАК. Найдено, что ее благоприятную морфологию обеспечивает воздействие водного 30-40%-ного раствора NaOH в течение 1-2 часов.
Обнаружено, что введение сшивающего агента в состав композиции, содержащей гидрофильные полимеры, приводит к повышению микротвердости поверхности получаемых образцов. В ряду пленок - исходная, содержащая ФК, содержащая формальдегид, - влагопоглощение последовательно снижается. По итоговым значениям светопропускания и длительности незапотевания пленки, содержащие ФК, превосходят те, в которые введен формальдегид. Исследовано влияние глицерина как пластификатора в структурированных покрытиях и отмечен его вклад в сверхсорбционные свойства разработанных материалов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. На основании установленных закономерностей гидролитической деструкции ПДЭГБАК в концентрированных растворах NaOH предложены режимы получения изделий на его основе с улучшенными и стабильными оптическими свойствами. Разработаны высокопрозрачные материалы, работающие в условиях перепада температур, которые могут найти применение в качестве оптических деталей приборов, очковых линз, защитных очков, предохранительных масок, приборных панелей, смотровых стекол. Материалы прошли испытания на двух предприятиях, что подтверждено соответствующими актами.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 2 тезиса докладов. Результаты докладывались и обсуждались на научно-техническом семинаре «Пластмассы - 98» (Санкт-Петербург, 1998), научно-технической конференции аспирантов СПбГТИ (Санкт-Петербург, 1999).
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, аналитического обзора литературы, обоснования выбранного направления исследования, методической части, трех глав результатов эксперимента и их обсуждения, выводов, библиографии (182 наименования) и приложений. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 9 таблиц.
