Измерения проводились на уникальной установке, разработанной, запатентованной и изготовленной в ИФХЭ РАН – на горизонтальном крутильном маятнике. Это устройство позволяет исследовать реакцию всех элементов изучаемого материала с позиции атомно-молекулярного дискретного строения. Образец помещался в термокриокамеру. С одной стороны он закреплялся жестко, с другой – был присоединен к системе возбуждения и регистрации колебательного процесса. Затем образец импульсным воздействием отклоняли на небольшой угол в пределах упругой деформации. Образец начинал колебаться. Со временем колебания затухали, потому что часть энергии внешнего воздействия переходила в тепловую часть внутренней энергии образца. По затуханию крутильных колебаний оценивалась диссипация части энергии в материале. Измерения проводились в широком интервале температур (от -150 °С до +170 °С).
«Это очень точный метод – он позволяет зарегистрировать изменения подвижности в самых маленьких системах в структуре материала, – отметила заведующая лабораторией структурообразования в дисперсных системах ИФХЭ РАН, кандидат физико-математических наук Светлана Шатохина. – Наблюдаемые пики диссипативных потерь характеризуют отклик материала на механическое воздействие при определенной температуре. Механическая энергия переходит в тепловую и «размораживает» участки полимерных цепей и звенья, делая их подвижными. Каждый пик соответствует повышению подвижности той или иной подсистемы внутри полимера».
Полиоксиметилен состоит как из кристаллической (с упорядоченным плотным расположением полимерных цепей), так и аморфной (менее плотной и разупорядоченной) фаз. На границах фаз возможно образование пустот из-за различия в плотностях и коэффициентах теплового расширения этих фаз.
На спектрах внутреннего трения обнаружены два наиболее выраженных пика диссипативных потерь, которые являются сложными, то есть состоят как минимум из двух наложенных друг на друга процессов, и один пик малой интенсивности. Посредством разложения этих пиков с использованием нормального распределения Гаусса в программе Origin Pro были выявлены пять процессов. Они имеют различную интенсивность и температурное положение. Благодаря этому разложению также показан вклад каждого из этих процессов в общий спектр.
Одновременно со спектрами внутреннего трения были сняты температурно-частотные зависимости свободного колебательного процесса (частота колебательного процесса и ее изменение при изменении температуры системы при заданной температуре). Они продемонстрировали существенное отклонение от линейной зависимости в тех температурных областях, где присутствуют пики диссипативных потерь. Температурно-частотные зависимости позволяют количественно рассчитать реальное изменение прочностных характеристик изучаемых материалов, вносимое каждым диссипативным процессом.
«Диссипация энергии ведет к изменению подвижности в структуре материала, – объяснила Светлана Шатохина. – При выборе материала, который будет наиболее прочным в данном температурном диапазоне, например, следует убедиться, что в нем при этих температурах не происходит диссипативных процессов. Наоборот, для лучшей переработки материала при высоких температурах в него можно добавить модификаторы, чтобы создать пик диссипативных потерь. Нашим очень точным методом можно проверить гипотезу или сравнить несколько материалов».
Исследования проводились для неотожженного и для отожженного полиоксиметилена. Измерения показали, что отжиг при температуре 140 °С градусов (примерно на 20% ниже температуры плавления) не сильно повлиял на спектры внутреннего трения, температурно-частотные зависимости и рассчитанные физико-механические характеристики. Однако у отожженного полиоксиметилена значительно увеличился диапазон времен релаксации на половине высоты пика потерь.
«Это свидетельствует о том, что при отжиге увеличилась релаксационная микронеоднородность элементов той или иной структурной подсистемы, которая относится к конкретному пику на спектре», – отметила Светлана Шатохина.
Полиоксиметилен – один из важнейших современных полимеров. Он обладает прочностью, жесткостью и твердостью при низких температурах. Он почти не взаимодействует с агрессивной средой и не разрушается в контакте с автомобильными маслами, топливом, органическими растворителями, слабыми щелочами и слабыми кислотами. Он не впитывает воду, стоек к динамическим нагрузкам, не накапливает усталость и имеет низкую ползучесть при больших нагрузках. Он легко обрабатывается и легко окрашивается. Корпуса машин, шестерни, подшипники, трущиеся самосмазывающиеся детали механизмов, высокоточные детали – это далеко не полный список изделий, для изготовления которых можно использовать полиоксиметилен. Из полиоксиметилена также изготавливаются детали, на которые ранее расходовались дорогие цветные металлы и их сплавы. Он безопасен для человека и допущен к контакту с пищевыми продуктами, поэтому из него можно изготавливать детали машин для пищевой промышленности.
По материалам: Viktor A. Lomovskoy, Svetlana A. Shatokhina, Raisa A. Alekhina and Nadezhda Yu. Lomovskaya. Temperature Areas of Local Inelasticity in Polyoxymethylene. Polymers 2024, 16(24), 3582.
DOI: 10.3390/polym16243582.
Материал подготовлен:
Ольга Макарова / Пресс-служба ИФХЭ РАН