Комплексная обработка СВМПЭ в плазмохимическом реакторе дугового разряда низкого давления

В заключение необходимо отметить, что тонкие пленки оксида индия, полученные автоволновым окислением, имеют отрицательное магнитосопротив-ление.

Магнитосопротивление было проанализировано с помощью теории слабой локализации. Кроме этого, были построены аппроксимирующие кривые, которые хорошо легли на экспериментальные данные.

References

1. Granqvist C. G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2007. vol. 91, № 17. p. 15291598.

2. Bogorad A., Bowman C., Herschitz R., Krummann W., Hart W. Differential charging control on solar-arrays for geosynchronous spacecraft. Ieee Transactions on Nuclear Science. 1993. vol. 40, № 6. p. 1542-1546.

3. Ciofalo M. R., Brady M. E., Panetta C. J., Meshishnek M. J. Low-energy electron exposure of space materials. Journal of Spacecraft and Rockets. 2011. vol. 48, № 6. p. 931-941.

4. Tambasov I. A., Maygkov V. G., Tarasov A. S., Ivanenko A. A., Bykova L. E., Nemtsev I. V., Eremin E. V., Yozhikova E. V. Reversible UV induced metal-semiconductor transition in In2O3 thin films prepared by autowave oxidation. Semiconductor Science and Technology. 2014. vol. 29, № 8. 082001.

5. Tambasov I. A., Myagkov V. G., Ivanenko A. A., Nemtsev I. V., Bykova L. E., Bondarenko G. N., Mihlin J. L., Maksimov I. A., Ivanov V. V., Balashov S. V., Kar-penko D. S. Structural and optical properties of thin In2O3 films produced by autowave oxidation. Semiconductors. 2013. vol. 47, № 4. p. 569-573.

© Тамбасов И. А., Тарасов А. С., Рауцкий М. В., Мягков В. Г., Тамбасова Е. В., 2015

УДК 539.21

КОМПЛЕКСНАЯ ОБРАБОТКА СВМПЭ В ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Л. Ю. Федоров2*, А. В. Ушаков1'2, И. В. Карпов1'2, А. А. Лепешев2,3

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 3Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 *E-mail: sfu-unesco@mail.ru

Рассматриваются результаты исследований материала, полученного при комплексном модифицировании сверхвысокомолекулярного полиэтилена в плазмохимическом реакторе низкого давления. Описаны предпосылки его применения в узлах КА.

Ключевые слова: плазмохимические реакции, нанонаполнитель, СВМПЭ, тлеющий разряд.

COMPLEX MODIFICATION OF UHMWPE IN A PLASMA-CHEMICAL REACTOR OF LOW PRESSURE

L. Yu. Fedorov2*, A. V. Ushakov1,2, I. V. Karpov1,2, A. A. Lepeshev2,3

1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

3Krasnoyarsk Scientific Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation. *E-mail: sfu-unesco@mail.ru

The article provides results of the material produced at the complex modification UHMWPE in low-pressure plasma-chemical reactor. The authors describe the background of its application in the nodes of the spacecraft.

Keywords: plasmochemical reactions, nanofillers, UHMWPE, glow discharge.

Задача повышения уровня надежности космических аппаратов (КА) остается актуальной, несмотря на большие достижения современной техники. В числе прочих, в конструкциях КА возможно использование новых материалов, включая полимерные мате-

риалы, допированные нанодисперсными частицами. Они способны противостоять экстремальным факторам космического вакуума (интенсивное электромагнитное и корпускулярное излучение, вызывающее специфические поверхностные явления в результате

Решетнеескцие чтения. 2015

десорбции, испарения и сублимации материалов). Эти процессы вызывают возрастание адгезии и когезии и, как следствие, ухудшение характеристик трения и износа в шарнирных узлах. Восстановление же защитных окисных пленок на металлических поверхностях затруднено из-за низкого окислительного потенциала космической среды [1].

Комплексная обработка поверхности полимерных материалов плазменными разрядами позволяет в значительной мере управлять характеристиками исходного материала. Совмещая в едином технологическом цикле процессы очистки материала тлеющим разрядом и активацию высокоэнергетическими ионами достигают более качественной подготовки поверхности полимерного порошка для непосредственного нанесения наночастиц. При этом улучшаются адгезионные свойства в контакте наночастица-полимер.

В данной работе приведены результаты исследований материала на основе СВМПЭ и наночастиц TiO2 после их комплексной обработки тлеющим разрядом, включающим очистку газовым ионным травлением, активацию поверхности порошка СВМПЭ бомбардировкой ионами металла и непосредственно нанесение наночастиц. В предыдущих исследованиях [2-4] была подробно описана технология нанесения наночастиц на поверхность порошка СВМПЭ и подробно описаны технологические режимы и некоторые зависимости свойств от концентраций наполнителя.

Для установления фазового состава НКМ применялся метод рентгеновского фазового анализа. ИК-спектры были сняты на Perkin-ElmerSystem 2000 FT-IR spectrophotometer в диапазоне частот 7 000-370 см-1 в виде твердых порошков с использованием приставки диффузного отражения (DRA).

Дифрактограммы, полученные для изучаемых образцов в малоугловой области, содержат в основном интенсивные линии, отвечающие СВМПЭ. Были проведены измерения образцов, содержащих от 1 до 5 мас.% оксида титана. Из полученных рентгенограмм выявлено, что рефлексы проявляются при 3 мас.% TiO2 и соответствуют рутильной фазе оксида титана. Никаких других рефлексов не выявлено. Полнопрофильный анализ показал, что размер частиц при 3 мас.% TiO2

составил 10 нм, при 4 мас.% ТЮ2 составил 11 нм, при 5 мас.% ТЮ2 составил 14 нм. Отсутствие других рефлексов позволяет предположить, что осаждаемый материал не взаимодействует химически с поверхностью микрогранул СВМПЭ. Рефлексы собственно наночастиц имеют небольшую интенсивность и значительную ширину, что характерно для высокодисперсных материалов. В связи с необходимостью усиления дифракционных максимумов для более качественной интерпретации результатов рефлексы СВМПЭ-матрицы с экспериментальных дифракто-грамм, представленных на рис. 1, были удалены.

На рис. 2 изображен ИК-спектр СВМПЭ после активации высокоэнергетическими ионами титана (температура 90 °С). Как можно заметить, синтезированный образец показывает основную абсорбционную полосу, связанную с молекулами СВМПЭ. Симметричное и асимметричное растяжение -СН2 происходит в 2 852 и 2 922 см-1 соответственно; не очень острый пик в ~ 940 см-1 установлен для группы Т1-ОН, полученной от неполной конденсации; С-С-О валентные колебания установлены в ~ 1 100 см-1. Единственный основной оставленный пик - ТьО колебания при 580 см-1. ИК-спектр диоксида титана содержит интенсивную полосу с максимумом 340 и 560 см-1, которую можно рассматривать как суперпозицию колебаний Т1-О связей и симбатных колебаний воды. В области поглощения 1000-1200 см-1 обнаруживаются три очень слабых пика, которые можно рассматривать как деформационные колебания ТьОН групп (1 192, 1 168 и 1 090 см-1). На модифицированных образцах ТЮ2 изменений в области колебаний Т1-О связей не обнаруживается. Слабые пики Т1-ОН групп на фоне полос СВМПЭ не просматриваются. В спектре СВМПЭ наблюдаются следующие полосы поглощения: 3 348 см-1 -валентные колебания гидроксильных групп, в области 3 000-2 800 см-1 проявляются валентные колебания метиленовых и метиновых групп СВМПЭ; 1 640 см-1 -5Н-О-Н колебания кристаллизационной воды. Полоса 1 451 см-1 - 5(ОН); 1 427 см-1 - 5(СН2) + 5(СН); 1 369 см-1 - 5(СН), 1 335 см-1 - 5(ОН) (в плоскости); 1 315 см-1 - 5(СН2) (веерные колебания); 1 281, 1 248, 1 235 и 1 203 см-1 - 5(ОН) + 5(СН).

Рис. 1. Рентгенограммы необработанного порошка СВМПЭ (а) и композиционного материала СВМПЭ+3 мас.% TiO2 (б) - рефлексы СВМПЭ-матрицы удалены

Рис. 2. ИК-спектр СВМПЭ после активации высокоэнергетическими ионами титана

Полоса 1 159 см-1 соответствует асимметричным валентным колебаниям моста С-О-С, однако ряд авторов относят ее к С-0 валентным или О-Н деформационным колебаниям С-ОН-группы. Полосу 1 054 см-1 приписывают валентным колебаниям С-О-связи в СЗН-ОН-группе, а 1 035 см-1 соотносят с валентными колебаниями С-О-связи в первичной спиртовой группе в различных конформациях [5; 6]. В области 860-400 см-1 в спектре СВМПЭ наблюдается широкое размытое поглощение, на фоне которого проявляется ряд нерезких полос, характеризующих различные колебания пиранозного кольца и деформационные колебания гидроксильных групп. Взаимодействие СВМПЭ с диоксидом титана в модифицированных образцах приводит к изменению интенсивности полос поглощения, связанных с гидроксильными группами (в качестве внутреннего стандарта использовалась полоса 2 900 см-1 Vc-н). Наиболее значительное увеличение (в 1,2-2 раза) интенсивности наблюдается в отношении полос 1 159, 1 054 и 1 035 см-1.

Таким образом, изменения в спектре СВМПЭ возрастают с увеличением доли неорганической составляющей в образце. Изменение спектральных характеристик СВМПЭ указывает на участие ее гидроксиль-ных групп в межчастичном взаимодействии с ТЮ2 посредством водородной связи.

Библиографические ссылки

1. Нусинов М. Д. Влияние космического вакуума на материалы и устройства научной аппаратуры. М. : Машиностроение, 1987. 48 с.

2. Нанокомпозиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и электродугового нанопорошка диоксида титана / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, Л. Ю. Федоров и др. // Химическая технология. 2014. № 9. С. 518-522.

3. Устройство для осаждения наночастиц на полимерные порошковые материалы / И. В. Карпов, А. В. Ушаков, Л. Ю. Федоров и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2014. № 80 (4). С. 47-50.

4. Механические и трибологические свойства комплексно-модифицированного материала на основе СВМПЭ и СиО / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, Л. Ю. Федоров и др. // Трение и износ. 2014. № 35 (1). С. 12-17.

5. Окислительное дегидрирование 2,3,5-триметил-1,4-гидрохинона в присутствии гидрогеля диоксида титана / В. Г. Харчук, Л. Ю. Булдакова, А. Б. Шишма-ков и др. // Журнал общей химии. 2004. № 74 (1). С. 110-113.

6. Активность диоксидов элементов в реакции жидкофазного окисления 2,3,5-триметил-1,4-гидро-хинона / А. Б. Шишмаков, В. Г. Харчук, О. В. Кузнецова и др. // Журнал физической химии. 2003. № 77 (4). С. 623-628.

References

1. Nusinov M. D. Vlijanie kosmicheskogo vakuuma na materialy i ustrojstva nauchnoj apparatury [The influence vacuum of space for materials and device research equipment]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987. 48 p.

2. Ushakov A. V., Karpov I. V., Fedorov L. Yu., Lepeshev A. A., Shaikhadinov A. A., Demin V. G. Nanocomposite Material Based on Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene and Titanium Dioxide Electroarc Nanopowder. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2015. vol. 49, no. 5, p. 743-111.

3. Karpov I. V., Ushakov A. V., Fedorov L. Yu., Lepeshev A. A. [The Device for depositing nanoparticles on polymer powder materials]. Zavodskaja laboratorija. Diagnostika materialov. 2014. № 80

4. Ushakov A. V., Karpov I. V., Fedorov L. Yu., Lepeshev A. A. Mechanical and Tribological Properties of Complex-Modified Material Based On Ultra High Molecular Weight Polyethylene. Journal of Friction and Wear. 2014, vol. 35, no. 1, p. 7-11.

5. Harchuk V. G., Buldakova L. Ju., Shishmakov A. B. [Oxidative dehydrogenation of 2,3,5-trimethyl-1,4-hydroquinone in the presence of titanium dioxide hydrogel]. Zhurnal obshhej himii. 2004. № 74

6. Shishmakov A. B., Harchuk V. G., Kuznecova O. V. [Active elements dioxide in liquid phase oxidation reaction of 2,3,5-trimethyl-1,4-hydroquinone]. Zhurnal fizicheskoj himii. 2003. № 77

© Федоров Л. Ю., Ушаков А. В., Карпов И. В., Лепешев А. А., 2015