Д.х.н., профессор Надиров К.С., доктор PhD Ивахненко О.П., к.т.н., доцент Жантасов М.К., к.т.н., доцент Бимбетова Г.Ж., к.т.н., доцент Аширбаев Х.А., к.х.н., Орынбасаров А.К., магистрант Есимхан Б.

Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауэзова, Республика Казахстан, Университет Хериот Ватт, Великобритания

Исследование электретных свойств полиэтилена, модифицированного

различными добавками

Большое внимание в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности уделяется проектированию, созданию и эксплуатации оборудования, находящегося в непосредственном контакте с нефтяными средами. Перспективным направлением в повышении долговечности машин является создание саморегулирующихся сборочных единиц и систем. Особенно это касается узлов герметизации, а именно полимерных эластомерных материалов, используемых в качестве прокладок, уплотнителей, манжет и т.п. В работе [1] показано, что придание подобным изделиям электретного состояния может способствовать увеличению срока их службы, а, следовательно, и повышению надежности машин, агрегатов и оборудования. Воздействие электрических полей на герметизируемые и разделительные среды, находящиеся в зазорах уплотнений, лежит в основе многих методов герметизации. Электрические поля оказывают влияние на смачивание и растекание жидкостей, в значительной мере определяют кинетику капиллярного течения жидкостей по зазорам между деталями и диффузионного проникновения сред через пленки, покрытия и стенки сосудов, контролируют процессы переноса смазочных пленок в зоне трения.

Однако большинство существующих технологий создания электретов трудоемки (как правило, осуществляются в несколько технологических стадий), базируются на электретировании уже переработанных в изделия полимеров, что отрицательно сказывается на энергетических затратах и значительно увеличивает трудоемкость получаемого продукта. Кроме того практически отсутствуют сведения об изменении антикоррозионных свойств полимерных покрытий в электретном состоянии.

Целью работы является исследование электретных свойств полиэтилена, модифицированного различными добавками.

Исходя от типа электрета, существует несколько способов их получения. Большинство способов изготовления электретов основаны на том, что происходит дополнительное физическое воздействие на диэлектрик, помещенный в электрическое поле, таким образом, получают электроэлектреты, термоэлектреты, фотоэлектреты, радиоэлектреты, магнитоэлектреты и др. В некоторых случаях наблюдается возникновение электретного состояния в диэлектрике без приложения внешнего электрического поля (трибоэлектреты, механоэлектреты, биоэлектреты, хемоэлектреты и т.д.). Корноэлектреты изготавливают воздействием поля коронного разряда на диэлектрик. При заряжении, на один из электродов, выполненный в виде набора игл, подается высокое напряжение, обуславливающее возникновение ионизированного воздуха-плазмы, при этом диэлектрик должен находиться в контакте с заземленным металлическим электродом [2]. Последний метод хорошо зарекомендовал себя с точки зрения технико-экономических показателей.

Наиболее перспективными материалами для получения короноэлектретов и изделий на их основе являются крупнотоннажные полиолефины, причем их недостаток, обусловленный низкой стабильностью электретного состояния, можно компенсировать введением высокодисперсных наполнителей различного рода. Однако на данный момент в литературе имеется мало сведений о влиянии условий получения и методов переработки полимерных композиционных материалов на проявление в них электретного эффекта. Связав влияние рецептуры и условий переработки на структурные параметры полимеров и композитов, возможно добавить еще один инструмент на прогнозирование и регулирование электретных свойств композиций на основе полиолефинов, а, следовательно, облегчить получение электретов с заданными свойствами [3].

Исследование электретного эффекта в полимерах дает информацию о явлениях релаксация заряда и его переноса на молекулярном уровне. Знание взаимосвязи между структурой, диэлектрическими свойствами, химическим строением полимеров и их электретными свойствами позволяет выбирать оптимальные для конкретной цели полимерные материалы [4]. Метод коронного разряда на сегодняшний день является наиболее распространенным в производстве пленочных электретов. У каждого электретного материала в зависимости от способа получения имеются свои особенности и поэтому в настоящее время приоритет дают экспериментальным результатам по получению новых электретов и модифицированию их свойств [1]. Важное значение для промышленного применения имеет способность материала (композита) сохранять приобретенные электретные свойства в течение длительного времени.

В качестве объектов исследования использованы ПЭНП в соответствии с ГОСТ 16337-77, нефтесодержащие жидкости и почвы месторождения Кумколь, технический госсипол - 2,2'-ди-3-метил-5-изопропил-1,6,7-триокси-8-нафтальдегид, сложное, высокомолекулярное органическое соединение – побочный продукт масложировой промышленности, органомодифицированные слоистые силикаты (ОМСС), полученные из бентонитовой глины Ибатинского месторождениях (Казахстан), волластонит Верхнебадамского месторождения (Казахстан), сэвилен - сополимер этилена с винилацетатом (сэвилен 11104-030) и готовый композит состава масс.%: растительный наполнитель (РН) – гузапая – 30; минеральные наполнители – ОМСС – 5 или волластонит – 10; сэвилен – 10; госсипол – 1,0; ПЭНП – остальное.

После смешения всех компонентов в лабораторном экструдере и остывания композита образцы полученного материала измельчали с помощью ножевой мельницы. Измельченный материал подвергали прессованию с помощью ручного гидравлического пресса с электронным блоком для нагрева плит. Прессование проводили при температуре 150^оС и нагрузке 7 кН в течение 4 минут с быстрым охлаждением. В результате были получены пленочные образцы круглой формы диаметром 10 см, толщиной около 100 мкм.

Электреты получали методом коронного разряда. Для этого отпрессованные пластинки из композитов различного состава помещали в термошкаф, нагретый до температуры 100 °С, и выдерживали 10 минут. После этого образцы перекладывали в коронирующую ячейку с электродом, состоящим из 225 заостренных игл, равномерно расположенных на площади 64 см² в виде квадрата. Охлаждение образцов проводилось в поле отрицательного коронного разряда при напряжении 35 кВ и времени поляризации от 30 секунд до 5 минут. При таком режиме поляризации достигаются высокие электретные характеристики. Зарядовое состояние композитов исследовано методом токов термостимулированной деполяризации (ТСД) [1] при скорости нагрева 5^оС /мин. В результате многократных измерений была установлена хорошая воспроизводимость кривых ТСД. Из кривых ТСД рассчитаны величины поляризационных зарядов. На рисунке 1 приведены зависимости поверхностной плотности короноэлектретных зарядов σ от времени эксплуатации в почвах и нефтесодержащих средах для ПЭНП и композиции на его основе составов, % масс: РН – гузапая – 30; минеральный наполнитель – волластонит – 10 или ОМСС - 5; сэвилен – 10; госсипол – 1,0; ПЭНП – остальное.

Из данных рисунка 1 видно, что поверхностная плотность электретных зарядов (ЭЗ) композитов вышеприведенного состава сразу после обработки выше, чем для чистого ПЭНП, при эксплуатации в почвах и нефтесодержащих жидкостях для ПЭНП и композиции на его основе наблюдаются разные закономерности изменения поверхностной плотности ЭЗ: ПЭНП с добавкой РН теряет приобретенные заряды через 20-30 суток, композиция с волластонитом - через 2 месяца теряет около 30% своего заряда, а композиция с ОМСС сохраняет свои свойства в течение всего времени испытания, причем вид коррозионно- активной среды практически не влияет на выявленные закономерности.

1,4 – ПЭНП + РН (гузапая) – 30 масс%, 2,5 - ПЭНП + РН (гузапая) – 30 масс.%+ волластонит – 10 масс.%+госсипол – 1 масс.% + сэвилен – 8 масс.%, 3,6 - ПЭНП + РН (гузапая) – 30 масс.%+ ОМСС – 5 масс.%+госсипол – 1 масс.% + сэвилен – 8 масс.%, коррозионная среда: нефтесодержащие жидкости (1,5,3) и почвы (2,4,6) месторождения Кумколь.

Рисунок 1 Влияние состава композита и условий его эксплуатации

на поверхностную плотность ЭЗ.

Обычно при нормальных условиях хранения время жизни зарядов составляет от 0,5 до 3 лет, а повышение температуры хранения, влажности окружающей среды, воздействие радиоактивного излучения приводит к ускоренному уменьшению зарядов электретов [5]. Но, как показывают результаты наших исследований, поверхностная плотность ЭЗ со временем уменьшается не во всех системах с одинаковой скоростью и возможен выбор состава композита, обеспечивающий длительное сохранение электретных свойств.

Наблюдаемое повышение поверхностной плотности ЭЗ в композитах связано с появлением нём новых энергетических ловушек инжектированных носителей зарядов: при наполнении полимеров дисперсными наполнителями возникают новые структурные элементы, способные служить ловушками носителей зарядов: граница раздела фаз, разрыхленный адсорбционный слой полимера вблизи поверхности наполнителя. Кроме того, при смешении компонентов композиции в смесителе возникают большие напряжения сдвига, которые неизбежно приводят к протеканию механохимических процессов в полимере. При этом макромолекулы разрываются с образованием радикалов, также способных служить энергетическими ловушками зарядов. Уменьшение значения поверхностной плотности ЭЗ при увеличении концентрации наполнителей могут быть связаны с изменением количества кислородосодержащих групп на поверхности сильно наполненных полимерных пленок. Подобные группы способны к поляризации, являющейся нежелательным явлением при электретировании в коронном разряде. Кроме того, по-видимому, существует пороговая концентрация, при которой ОМСС способен распределяться на наномерном уровне в полимере данной природы, образуя нанокомпозит эксфолиированной структуры. Большие его концентрации приводят к формированию интеркалированной структуры. Волластонит способности к образованию наноструктур без специальной обработки не проявил.

Исследовано влияние способа зарядки композитов на величину поверхностной плотности электретных зарядов. Установлено, что величина σ для композитов, поляризованных при коронной поляризации больше, чем при электротермополяризации, а стабильный электретный заряд для композитов, заполяризованных при электротермополяризации больше, чем при коронной поляризации, что связано с изменением условий стабилизации в них зарядов и физической структуры.

Данные исследования проводились благодаря финансированию Комитета науки Министерства образования и науки РК.

Литература

1 Пинчук Л.С. Электретные материалы в машиностроении/Л.С. Пинчук, В.А. Гольдаде. – Гомель: Инфотрибо. - 1998. – 288 с.

2 Гороховатский Ю.А. Электретный эффект и его применение // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – №8. – С. 92-98.

3 Каримов И.А. Влияние состава, условий получения и переработки полиолефиновых композиционных материалов на их электретные свойства. Дисс…..канд. техн. наук. – Казань. - 2015.

4 Лущейкин Г.А. Полимерные электреты. - М.: Наука. - 1984. – 184 с.

5 Сеслер Г. Электреты. – М.: Мир. – 1983. - 488 с.