Влияние температуры электретирования на стабильность значений потенциала поверхности полиэтилена

УДК 676.274:678.5

А. Шишкова, Д. Фиданов, И. А. Каримов, А. А. Гужова, А. И. Назмиева

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРЕТИРОВАНИЯ

НА СТАБИЛЬНОСТЬ ЗНАЧЕНИЙ ПОТЕНЦИАЛА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИЭТИЛЕНА

Ключевые слова: полиэтилен, потенциал поверхности, электретрет, униполярный коронный разряд.

Исследовано влияние температуры образца при заряжении в коронном разряде на стабильность потенциала поверхности полиэтиленовых образцов. Установлено, что чем выше температура электретирования т.е. чем ближе коронирующий электрод к формующей головке экструдера, тем стабильнее электретные свойства.

Keywords polyethylene, surface potential, electret, unipolar corona discharge.

Effect of the sample temperature during corona poling on surface potential stability was studied for the polyethylene films. The higher charging temperature was, i.e. the closer corona electrode was to the shaping die, the more stable electret properties of the samples were.

Введение

В последнее время полимерные электреты -диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации этих диэлектриков - привлекают все большее внимания благодаря их уникальной способности создавать в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле [1-2]. Электреты нашли свое применение в различных областях науки, техники и медицины [1-5].

Одним из главных эксплуатационных требований, выдвигаемых к электретным материалам, является высокая стабильность заряда. В этой связи ведется активный поиск различных методов стабилизации, включающих, в том числе, изменение технологических параметров процесса получения электретов и усовершенствование технологии их изготовления [6-9].

Метод коронного разряда широко применяется для изготовления электретов благодаря простоте аппаратурного оснащения и быстроте процесса. Основными технологическими параметрами при электретировании в коронном разряде являются напряжение и полярность короны, а также температура электретируемого материала. Эти технологические парамеры оказывают значительное влияние на свойства полимерных электретов [10-12].

В настоящей работе рассматривается влияние температуры поляризации полиэтилена по технологии, совмещающей процессы экструзии и электретирования на стабильность его потенциала поверхности.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования был выбран полиэтилен марки 8аЫс 118. Экструзия образцов осуществлялась на ВгаЪеМег Бх1гМег-19-25Б. Полимер загружался в воронку экструдера, где затягивался шнеком в цилиндр, нагретый до заданной температуры по зонам (Т = 170°С, Т2 = 180°С, Т3 = 190°С), и выдавливался через экструзионную головку с Т4 = 190°С в виде листа

(ленты) шириной 100 мм и толщиной 1,8 мм. Электретирование осуществлялось в отрицательном коронном разряде при помощи подвижного коронатора, который размещался на расстоянии 7 см, 12,5 см или 25 см от формующей головки экструдера, как схематично показано на рисунке 1. Расстояние между образцом и коронирующим электродом составляло 2 см. Температура в месте поляризации Tпол измерялась при помощи термопары и составляла 110°С, 90°С и 60°С соответсвенно. Напряжение, подаваемое на коронирующий электрод, составляло 35 кВ.

Рис. 1 - Схема экструзионного получения электретированного полимерного листа

Электретный потенциал поверхности заряженных образцов Vэ измерялся методом вибрирующего электрода с компенсатором, расчетная погрешность по которому не более 5%

Значения эффективной поверхнотсной плотности заряда аэф рассчитывались по формуле:

°эф = SS0

Vl d

где е - диэлектрическая проницаемость материала (для полиэтилена е = 2,3), е0 - диэлектрическая постоянная, Vэ - потенциал поверхности, d -толщина образца.

Результаты и их обсуждение

При каждом положении коронирующего электрода (температуры электретирования 110°С, 90°С и 60°С) были получены полиэтиленовые электретные листы, из которых вырезалось по 6 образцов размерами 10 х 10 см. Статистическая погрешность при доверительном интервале 90% обозначена на графике черточками.

Экспериментальные данные временной зависимости потенциала поверхности образцов, заряженных при различных температурах представлены на рис. 2.

V» кВ

тХр, сут.

Рис. 2 - Зависимость потенциала поверхности ПЭ образцов, электретированных при различных температурах, от времени хранения

Исследования показали, что увеличение температуры поляризации увеличивает электретные свойства полиэтиленовых образцов.

Спад потенциала поверхности в зависимости от времени хорошо описывается экспоненциальной функцией вида:

Уэ = Уэ0 ехр(- //т), где Уэо - начальный потенциал поверхности, кВ; т -время релаксации, в днях. На рисунке 2 экспоненциальные зависимости представлены сплошными линиями.

В таблице 1 приведены значения Уэ0, т и Я2., в таблице 2 - значения аэф.

Таблица 1 - Значения начального потенциала поверхности, времени релаксации и коэффициентов детерминации при различных температурах электретирования

Т °С 1 пол> ^ Уэ0, кВ т, сут. Я2

110 2,86 14 0,85

90 2,22 8,5 0,88

60 1,85 4 0,96

Таблица 2 - Зависимость расчетных значений эффективной поверхностной плотности заряда полиэтиленовых листов от положения коронирующего электрода относительно формующей головки экструдера

Положение коронирующег о электрода, см 7 12,5 25

Т °С пол 110 90 60

аэф, Кл/м2 3,4х10-5 1,6х10-5 3,0х10-6

Апроксимация экспериментальных данных функцией, содержащей одну экспоненту показывает, что процесс спада поверхностного заряда может быть описан одним механизмом, характеризующимся некоторым временем релаксации. Так как полиэтелен это неполярный полимер, можно предположить, что наиболее вероятным механизмом является высвобождение заряда, захваченного во время заряжения в короне

ловушками различной природы. Образцы, заряженные при более высоких температурах, обладали более высокими начальными значения потенциала поверхности и более длительным временем релаксации, что указывает, на более медленный процесс релаксации.

Стабилизированные значения потенциала поверхности образцов, заряженных при более высоких температурах, выше, что, вероятно, можно объяснить более глубокими энергетическими ловушками.

Для более удобного анализа динамики релаксации электретных свойств приведенные значения потенциала поверхности при трех различных температурах электретирования представлены в виде гистограммы на рисунке 3.

У/УэО, кВ

ВО 90 110

Рис. 3 - Относительные значения потенциала поверхности ПЭ образцов, заряженных при различных температурах

Результаты, показанные на рис. 3, демонстрируют наличие в образцах, заряженных при высокой температуре, стабильного захваченного заряда, так как относительное снижение в них наименьшее.

Можно предположить, что наблюдаемая повышенная стабильность электретного состояния полиэтиленовых образцов, заряженных при высоких температурах, вызвана поглощением

дополнительного заряда глубокими

энергетическими ловушками. Это может происходить и вследствие того, что при повышенных температурах полимеры обладают большими значениями электропроводимости [13], т.е. носители заряда способны проникать в объем полимера на большую глубину.

Полученные результаты согласуются с литературными данными [11, 12].

Заключение

На основании проведенного эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. С увеличением температуры электретирования в коронном разряде возрастает потенциал поверхности полиэтиленовых листов.

2. Временная зависимость потенциала поверхности полиэтиленовых листов описывается экспоненциальной зависимостью, указывающей на наличие единного механизма релаксации

электретного состояния с определенным временем релаксации.

3. Спад с течением времени потенциала поверхности полиэтиленовых листовых образцов, заряженных при различных температурах обусловлен механизмом высвобождения заряда из различных энергетических ловушек.

Литература

1. Рынков А.А., Бойцов В.Г. Электретный эффект в структурах полимер-металл: Монография. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2000. - 250 с.

2. Рынков Д.А., Кузнецов А.Е., Рынков А.А. Стабилизация заряда полимерных электретов: Монография - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2013. - 159 с.

3. Гольдаде В.А. Электретные композитные материалы на основе полимеров: основные свойства и новые области применения. // Механика композитных материалов. -1998. - Т. 34. - № 2. - С. 153-162.

4. Бойцов В.Г., Рынков Д.А. Полимерные электреты в инновационных технологиях. // Изв. Рос. гос. пед. ун-та им. А.И. Герцена: Естественные и точные науки: Научный журнал. - СПб, 2002. - № 2 (4). - С. 118-132.

5. Галиханов М.Ф., Дебердеев Р.Я. Полимерные короноэлектреты: Традиционные и новые технологии и области применения. // Вестник Каз. технол. ун-та. -2010. - № 4. - С. 45-57.

6. Галиханов М.Ф. Короноэлектреты на основе полиэтиленовых композиционных материалов (обзор) // Материаловедение. - 2008. - № 7. - С. 15-29.

7. Rychkov D., Gerhard R. Stabilization of positive charge on polytetrafluoroethylene films treated with titanium-tetrachloride vapor // Appl. Phys. Lett., 2011. - V. 98. - P. (122901).

8. Rychkov D., Wirges W., Gerhard R. et al. Stabilization of Positive Charge on FEP Electret Films Modified with Titanium-Tetrachloride Vapor: Formation of a Two-Dimensional Nanodielectric? // Proceedings of the 2013 International Conference on Solid Dielectrics «ICSD 2013» 2013, Bologna, Italy. - P. 374-376.

9. Каримов И.А., Галиханов М.Ф. Влияние добавок на электретные свойства полиэтиленовых экструзионных листов // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2014. - Т. 17. - № 2. - С. 161-163.

10. Губкин А.Н., Гамилова Т.П. Влияние условий поляризации на начальный заряд электретов из политетрафторэтилена. // Электретный эффект и электрическая релаксация в твердых диэлектриках. Межвузовский сборник. - М.: Изд. МИЭМ, 1988. -С. 3-7.

11. Борисова А.Н., Галиханов М.Ф., Дебердеев Р.Я. Влияние условий поляризации на свойства полиэтиленовых короноэлектретов. // Доклады Международной конференции «Композит-2004». -Саратов, 2004. - С. 18-21.

12. Галиханов М.Ф., Бударина Л.А. Короноэлектреты на основе полиэтилена и сополимеров этилена с винилацетатом. // Пласт. массы. - 2002. - № 1. - С. 40-42.

13. Сажин Б.И. Электропроводность полимеров. - Л.: Химия, 1964. - 116 с.

© А. Шишкова - магистрант, каф. экспериментальной физики, Пловдивский университет им. Паисия Хилендарского, г. Пловдив, Болгария; Д. Фиданов - бакалавр той же кафедры; И. А. Каримов - асп. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, ilnyr.1987@mail.ru; А. А. Гужова - асп. той же кафедры, alina_guzhova@mail.ru; А. И. Назмиева - асп. той же кафедры, nazmievaalsu@yandex.ru.

© A. Shishkova - Master's degree student, Department of Experimental Physics, Plovdiv University "Paisii Hilendarski", Plovdiv, Bulgaria; D. Fidanov - Bachelor's degree student, Department of Experimental Physics, Plovdiv University "Paisii Hilendarski", Plovdiv, Bulgaria; I. Karimov - Ph.D student, Department of Processing Technology of Plastics and Composite Materials, KNRTU, Kazan, Russia, ilnyr.1987@mail.ru; A. Guzhova - Ph.D student, Department of Processing Technology of Plastics and Composite Materials, KNRTU, Kazan, Russia, alina_guzhova@mail.ru; A. Nazmieva - Ph.D student, Department of Processing Technology of Plastics and Composite Materials, KNRTU, Kazan, Russia, nazmievaalsu@yandex.ru.