Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время стремительно растет объем применения полимерных электретов – диэлектриков создающих в окружающем пространстве сильное электростатическое поле. Диапазон их использования простирается от бытовой техники до техники специального назначения. Это электроакустические (электретные микрофоны, сурдотелефоны (головные телефоны для слабослышащих), гидрофоны и т.д.), электромеханические преобразователи (электретные звукосниматели, сенсорные переключатели, ударные датчики и т.д.), электретные воздушные фильтры и многое другое. В последнее время открываются и новые области применения электретов: в медицине (в качестве антитромбогенных имплантантов), в машиностроении (в узлах трения, уплотнения, системах защиты от коррозии) и т.д.
Метод коронного разряда на сегодняшний день является наиболее распространенным в производстве полимерных электретов. Преимуществами коронной электризации являются простота аппаратуры, довольно высокая скорость процесса и равномерное распределение зарядов по поверхности.
Полимеры, как основной материал для создания электретов, во многих случаях не обладают необходимыми механическими, теплофизическими и другими свойствами, необходимыми для их практического применения. В то же время жизнь требует материалы с новыми свойствами. Поэтому для получения электретных материалов с заданными свойствами целесообразно применять композиции, состоящие из полимерного связующего и наполнителей различной природы. При наполнении полимеров дисперсными наполнителями в композиционных материалах возникают новые структурные элементы, способные служить ловушками носителей зарядов, что обуславливает изменение электретных характеристик диэлектриков.
Однако, несмотря на широкую номенклатуру и все растущую сферу технического применения полимерных композиционных материалов, строгого теоретического и экспериментального обоснования их поляризации нет, общие закономерности изменения электретных свойств полимеров при наполнении не определены. В результате, в настоящее время практическое использование полимерных композиционных электретов опережает их теоретическую интерпретацию. В связи с этим изучение особенностей поляризации композитов различного состава является актуальным и своевременным.
Работа выполнена в соответствии с заданиями Министерства образования РФ 2003 года «Исследование методов получения активной упаковочной пленки со специальными свойствами для пищевых продуктов» и 2008 года «Теоретические основы создания новых полимерных материалов с заданными свойствами», при финансовой поддержке Академии наук Республики Татарстан (грант 20-21/2006(Г) на проект «Применение метода диэлектрической спектроскопии для исследования структуры и свойств полимерных электретных материалов») и РФФИ (грант 08-02-90051 на проект «Изучение процессов индуцированного переноса заряда в электретных полимерных композитах»).
Целью работы явилось изучение электретного эффекта в полимерных композиционных материалах.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
- изучить влияние дисперсных наполнителей различной природы на электретные характеристики термопластичных полимеров;
- оценить и смоделировать распределение инжектированного заряда по объему короноэлектрета;
- изучить электретные свойства двухслойных плёночных материалов;
- изучить электретные свойства смесей термопластичных полимеров и оценить влияние структуры на их свойства;
- найти новые области применения полимерных композиционных короноэлектретов.
Научная новизна работы. Показана возможность создания электретных материалов с ярко выраженным электретным эффектом на основе крупнотоннажных термопластичных полимеров с 2 – 6 об. % наполнителей различной природы.
Впервые обнаружены высокоэнергетические ловушки захвата инжектированных носителей заряда в полимерных композиционных материалах, разрушающиеся только при температурах выше температур плавления (текучести) полимеров.
Впервые обнаружен эффект сохранения электретных свойств полимерных композиционных материалов после одновременного воздействия повышенных температур и деформации.
Создана многоуровневая модель релаксации электретного заряда в полимерах и полимерных композиционных материалах, основанная на разделении протекающих механизмов релаксации гомозаряда, гетерозаряда и поляризации Максвелла-Вагнера (на границе раздела фаз). Это позволило впервые показать долю гомо-, гетерозаряда и поляризации Максвелла-Вагнера в проявлении электретного эффекта в материалах различного типа (полимерах, композиционных и многослойных материалах).
Разработан новый подход к оценке распределения гомо- и гетерозаряда по объему диэлектрика, заключающийся в создании двухслойного короноэлектрета с последующим измерением его электретных свойств до и после удаления верхнего слоя с помощью растворителя.
Впервые показано, что смеси полимеров характеризуются экстремальной зависимостью электретных свойств от состава с ярко выраженными одним (для смесей неполярного полимера с полярным) или двумя (для смесей двух неполярных полимеров) максимумами.
Впервые обнаружен факт влияния нижнего слоя двухслойного полимерного короноэлектрета на его свойства. Показано, что у двухслойных пленок на основе различных полимеров электретные характеристики ухудшаются с ростом полярности полимерной подложки.
Впервые показана возможность прогнозирования увеличения срока хранения ряда пищевых продуктов в активной упаковке из полимерного композиционного короноэлектрета через изучение их микробиологического состава.
Практическая ценность работы. По результатам работы разработаны полимерные материалы с высокими и стабильными электретными характеристиками, которые могут найти применение в традиционных областях использования электретов.
Предложена новая технология получения полимерных изделий с электретными свойствами – получение листового или пленочного полимерного композиционного короноэлектрета с последующей переработкой его в изделия различного назначения методами пневмо-, вакуумформования, штампования.
Разработан упаковочный материал нового типа на базе крупнотоннажных полимерных материалов для пищевых продуктов, продлевающий срок их хранения без использования химических консервантов. Он обладает улучшенной миграционной стойкостью и термосвариваемостью по сравнению с традиционными материалами. Эффективность применения активной электретной полимерной упаковки подтверждена протоколом Испытательного центра ГУ «Республиканская ветеринарная лаборатория» Республики Татарстан.
Апробация работы. Результаты работы доложены на V Международной конференции «Нефтехимия - 99» (г. Нижнекамск, 1999 г.); Всероссийской и Международной научно-технических конференциях «Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве» (г. Казань, 1999 и 2001 гг.); третьей и четвертой Международных конференциях «Электрическая изоляция» (г. Санкт-Петербург, 2002 и 2006 гг.); юбилейной научно-методической конференции «III Кирпичниковские чтения» (г. Казань, 2003 г.); Х, XII и XIII Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2003, 2005 и 2006 гг.); XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии» (г. Казань, 2003 г.); третьей Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры-2004» (г. Москва, 2004 г.); Международной конференции «Композит-2004» (г. Саратов, 2004 г.); второй Всероссийской научно-технической конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (г. Москва, 2004 г.); III Всероссийской научной конференции с международным участием «Физико-химия процессов переработки полимеров» (г. Иваново, 2006 г.); IV Всероссийской Каргинской конференции «Наука о полимерах 21-му веку» (г. Москва, 2007 г.); XI Международной конференции «Физика диэлектриков» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); III Международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия» (г. Ярославль, 2008 г.); научных сессиях Казанского государственного технологического университета (г. Казань, 1999 – 2009 гг.) и др.
Личный вклад автора. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, включенные в диссертацию, получены автором лично или при его непосредственном участии или руководстве. Автор определял направление исследований, выбор объектов и методов исследования, участвовал в обсуждении полученных результатов, предлагая их интерпретацию и формулируя выводы. Автор пользовался поддержкой и советами профессоров Гарипова Руслана Мирсаетовича, Гольдаде Виктора Антоновича и Гороховатского Юрия Андреевича, которым выражает глубокую благодарность.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 33 статьи в журналах из списка ВАК, 48 статей в журналах, сборниках трудов, материалах научных конференций, 90 тезисов докладов конференций различного уровня. Список наиболее значимых публикаций приведен в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и выводов. Работа изложена на 399 страницах, содержит 146 рисунков, 54 таблицы и список литературы из 489 ссылок.