В статье определена актуальность исследований фазовых превращений полимеров методом обработки токами высокой частоты.
Ключевые слова: фазовые превращения, полимеры, ВЧ-обработка, токи высокой частоты
На сегодняшний день особый интерес уделяется изучению свойств полимерных материалов, что объясняется их обширным внедрением в различные отрасли промышленности.
В последние годы усиленными темпами происходит замена ответственных металлоконструкций деталями из полимерных материалов. Это связано со следующими основными факторами:
- снижение энерго- и трудоёмкости изготовления;
- возможность их эксплуатации в агрессивных средах;
- дешевизна полимерных материалов.
Вышесказанное показывает актуальность исследовательских работ по дальнейшему совершенствованию процесса производства, хранения и эксплуатации изделий из полимерных материалов.
Решение данной проблемы осложнено отсутствием универсальной методики исследования свойств полимеров в зависимости от изменения температуры среды.
Фазовые переходы, сопровождающиеся изменением структуры материала, для современных конструкционных материалов на сегодняшний день не достаточно полно изучены.
Известно, что полимеры могут находиться в нескольких фазовых состояниях (см. рис.1): кристаллическое, жидкокристаллическое, аморфное (жидкое), газообразное.
Рис. 1. Схема физических состояний и фазовых переходов полимеров
Эренфест даёт следующую классификацию переходов [1, 3]: фазовые переходы первого и второго рода.
Такие фазовые переходы, как кипение, плавление или возгонка, сопровождаются скачкообразными изменениями внутренней энергии и объёма, т. е. поглощением или выделением скрытого тепла перехода, которые в свою очередь являются первыми производными от свободной энергии по температуре и давлению. Такие превращения были названы фазовыми переходами первого рода. Они характеризуются бесконечно большим возрастанием теплоёмкости в очень узкой области точки перехода, а причина этого состоит в том, что добавление теплоты к системе в точке фазового перехода не повышает температуру системы, а расходуется на перестройку системы.
При переходах второго рода внутренняя энергия вещества и его объём не изменяются в точке перехода и, следовательно, не происходит выделения или поглощение скрытой теплоты. Однако, свободная энергия системы при фазовых переходах второго рода имеет некоторую особенность, которая проявляется в том, что вторые производные (теплоёмкость и сжимаемость) становятся бесконечными.
Согласно теории Л. Д. Ландау, при фазовых переходах первого рода функция распределения по энергии или плотности системы должна быть бимодальной, т. е. иметь два максимума. При фазовых переходах второго рода функция распределения всегда имеет только один максимум, который расширяется в точке перехода.
В последние десятилетия было обнаружено, что молекулы полимеров способны совершать необычные фазовые превращения. Их необычность состоит в том, что они обладают характерными чертами фазовых переходов первого и второго рода одновременно. В качестве примера можно использовать модель “липкой ленты”, подробно рассмотренной в работе [1, 4].
Анализ представленного литературного обзора показывает, что современные полимерные материалы не всегда подчинены разработанным ранее теориям фазовых переходов, что вызвало необходимость проведения дополнительных экспериментальных исследований.
Для исследования фазовых переходов авторами был использован амперометрический способ, который заключается в последовательном линейном нагреве полимерного образца до температуры плавления с периодической подачей на него высокочастотной энергии. В результате момент фазового перехода можно определить по состоянию анодного тока в момент включения высокочастотного генератора. Данная установка была оснащена датчиком перемещения (точность измерения 0,01 мм), фиксирующим тепловое расширение образца в зависимости от изменения температуры. С этой целью с обрабатываемого образца была снята прессовая нагрузка.
Разработана схема исследования фазовых превращений на базе оборудования УЗП 2500 (см. рис.2).
Рис. 2. Схема экспериментальной установки по исследованию фазовых превращений полимеров
1 — образец; 2 — электроды рабочего конденсатора; 3 — ВЧ-генератор; 4 — приспособление для нагрева образца; 5 — электронагревательный элемент; 6 — термопара; 6–1 — термопара-термометр; 7 — защитный экран; 7–1 — амперметр (линейный датчик с выходом по напряжению); 8 — вычислительный блок; 9–1 — микрометр (фиксирует тепловое расширение образца)
Принцип работы данной установки описан в работе [2].
В качестве вычислительного блока был использован микроконтроллер Arduino Nano Atmega 328, алгоритм работы которого представлен на рис.3.
Рис. 3. Алгоритм исследования фазовых превращений
Результат исследования фазовых превращений представлен на рис. 4.
Анализ полученных в настоящем исследовании данных показывает, что при нагреве полимерного образца происходят показательные изменения анодного тока, идентифицированные авторами как фазовые переходы первого рода (переход № 1–7, см. рис. 4). Анализ показаний датчика перемещения подтверждает возможность контроля фазовых переходов экспериментальной установкой, разработанной авторами.
В результате проведённых научных и экспериментальных исследований авторами были созданы методики выявления фазовых переходов в полимерных материалах. Разработанная и реализованная экспериментальная установка с алгоритмом управления автоматизированной системой научных исследований позволила идентифицировать электрофизические и механические параметры исследуемых материалов как фазовые превращения в материале.
Фазовые переходы второго рода в структуре полимера и методы их выявления — это цель дальнейших исследований.
Литература:
1. Скворцов А. М., Обычные и необычные фазовые переходы.; — С-П.: Соросовский образовательный журнал, № 8, 1996. С. 103–108.
2. Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В., Буторин Д. В. Автоматизация процесса контроля фазовых состояний полимерных материалов в поле высокой частоты/ Ю. Ф. Мухопад // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте. — Иркутск: ИрГУПС. — 2014.
3. Тагер А. А. Физико-химия полимеров. Издание 4-е. переработанное и дополненное. — М.: Научный мир. 2007.-506 с.
4. Гросберг А. Ю., Хохлов А. Р. Физика в мире полимеров. Библиотечка “Квант”. — М.: Наука, 1989.
