*119997*

Химия и химические технологии / 5 Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Корецкая Л.С., д.т.н., профессор, Ухарцева И.Ю. к.т.н., доцент,

*Александрова Т.И., к.т.н., доцент

Белорусский торгово-экономический университет

потребительской кооперации, *Гомельский государственный технический университет им. П.О.Сухого, Республика Беларусь, г. Гомель

Фотодеформации как показатель упругих свойств полимерных пленочных материалов

Одной из проблем широкого использования полимерных упаковочных материалов является их долговечность, стабильность свойств в различных условиях эксплуатации. Важность прогнозирования стабильности функциональных свойств диктуется требованиями гарантии их в условиях воздействия ультрафиолетового (УФ) облучения, тепловых и силовых полей, влажности, различных сред, в том числе и агрессивных, и других факторов.

С целью прогнозирования прочностных свойств полимерных упаковочных материалов в различных условиях эксплуатации при интегральном и дифференциальном воздействии перечисленных и других факторов были изучены их фотоупругие свойства.

В качестве модельных объектов исследований при изучении деформации пленок из полимерных материалов при одновременном воздействии УФ излучения и одноосного растяжения в области малых напряжений и упругих деформаций были выбраны полимерные пленки из полиэтилена, фторопласта, полиметилметакрилата, поликарбоната и поливинилхлорида.

Результаты определения деформации пленок при УФ облучении свидетельствуют, что при воздействии последнего они удлиняются на некоторую величину Δl_УФ. После прекращения облучения длины пленок уменьшаются на ту же величину. В дальнейшем при отсутствии УФ облучения размеры пленок восстанавливаются до появления в материале напряжений, превышающих предел пропорциональности. При многократном периодическом воздействии УФ облучения процесс повторяется (рис.1). Наряду с деформацией в образцах пленок наблюдается и изменение температуры

Абсолютное значение обратимых микродеформаций для полимерного материала сохраняется постоянным в широком интервале упругих деформаций растяжения. Замеченное явление в твердых телах под действием УФ излучения названо фотодеформационным эффектом [1].

Сущность фотодеформационного эффекта состоит в том, что при воздействии УФ излучения на твердое тело в нем возникают напряжения сжатия, тормозящие свободное расширение тела и обусловливающие сдвиговые деформации в микрообъемах данного тела. В соответствии с принципом Франка — Кондона в полимерных материалах переход в другое электронное состояние молекулы приводит к нарушению ее равновесной конформации и изменению колебательной энергии. Этим можно объяснить неодинаковую устойчивость к воздействию УФ излучения полимеров с одной химической структурой, но с разной упаковкой элементов надмолекулярной структуры и конформационной энергией цепей.

После определенного для каждого полимерного материала времени воздействия УФ излучения возникают необратимые деформации, появляется ползучесть материала. Вследствие происходящих процессов сжатия-растяжения наблюдаются усталостные явления, накапливаются необратимые деформации, проявляясь в виде локальной пластической деформации. В пластической зоне деформации наблюдается значительная анизотропия свойств материала в виде резко выраженного оптического дихроизма, изменения ориентации кристаллических элементов, подвижности и конформации молекул. Появляются дефектные места, в которых зарождаются и развиваются трещины.

Рисунок 1 – Деформация ПК под действием УФ облучения и одноосного растяжения при следующих нагрузках: а — 0,2 МПа; б — 0,3 МПа; в — 0,4 МПа

Факт выявления фотодеформационного эффекта позволил по-иному проанализировать процессы разрушения материалов, обусловленные УФ излучением и предложить новую концепцию кинетики зарождения дефектов и развития трещин.

Исследованиями установлено, что при действии на полимеры в твердом состоянии УФ излучения даже с небольшой интенсивностью (2 Вт/см²) температура в поверхностных слоях возрастает на 3–7°С. Тепловое расширение и изменение электронного состояния молекул, вызванные фотодеформационным эффектом, приводят к нарушению равновесных конформаций и варьированию колебательной энергии макромолекул.

Оценка энергетического состояния деформированных молекулярных связей при возбуждении и дезактивации молекул показала, что в локальных объемах материала под действием УФ излучения возникают напряжения сжатия. Происходит уплотнение материала, что подтверждается уменьшением межплоскостных расстояний кристаллических элементов. Создаются зоны с напряжениями различного знака (сжатие в одних, растяжение в других) и проявляются перенапряжения на проходных цепях полимера. Уплотнение материала в кристаллических зонах обусловливает возникновение сдвиговых деформаций, развитие прямолинейных дефектов дислокационного характера.

Анализ результатов исследований позволяет сделать вывод об определяющем влиянии деформационно-реологических процессов в начальный период зарождения трещин в полимере под действием УФ излучения, перепаде температур, знакопеременных силовых нагрузках. Кинетика процесса разрушения полимерных пленочных материалов свидетельствует о прямой зависимости долговечности пленок при хранении и эксплуатации от величины деформации Δl_УФ.

Таким образом, оценка упругих свойств может быть использована для прогнозирования долговечности полимерных упаковочных материалов в условиях воздействия различных факторов внешней среды с целью увеличения их безопасности, позволит с большей степенью надежности применять различные упаковочные материалы и разрабатывать способы их защиты а, следовательно, исключать отрицательное влияние на упакованный продукт [2].

Литература:

1. Корецкая, Л.С. Атмосферостойкость полимерных материалов. / Л.С.Корецкая, М,.1993.–205с.

2. Корецкая, Л.С. Метод прогнозирования свойств полимерных материалов в условиях воздействия факторов внешней среды. / Л.С. Корецкая, И.Ю. Ухарцева, Т.И. Александрова [и др.] // Потребительская кооперация – 2011. – №3(34). – С.69-74.