ИК СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ АНИЗОМЕТРИЧНЫХ ЧАСТИЦ НАПОЛНИТЕЛЯ В ОБЪЕМЕ ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЫ
INFRARED SPECTROSCOPIC METHOD OF DETERMINING ORIENTATION ANISOMETRIC PARTICLES OF FILLER IN VOLUME OF POLYMER MATRIX

Изобретение относится к области исследования частиц с помощью ИК спектроскопии, в частности к методам экспресс-анализа полимерных композитов. Способ позволяет определять ориентацию анизометричных частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы.
Ориентация частиц наполнителя в полимерных композитах важная характеристика, влияющая на прочностные свойства полимерного композита. Так, при отклонении направления приложения нагрузки от направления ориентации волокон прочность композита резко падает, и при значении около 45° прочность композита становится равной прочности полимерной матрицы. А при ориентации частиц наполнителя в поперечном направлении волокна не только не усиливают полимер, но даже его ослабляют.
В основу изобретения положена задача создания ИК спектроскопического способа определения ориентации анизометричных частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы.
Технический результат настоящего изобретения заключается в разработке ИК-спектроскопического способа определения ориентации анизометричных частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы.
М
Н
М
Н
Технический результат настоящего изобретения достигается тем, что для определения анизометрии частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы, при условии выполнения условия |n-n|>0, где n и n - показатели преломления матрицы и наполнителя соответственно, полимерные материалы облучают под разными углами источником ИК-излучения, преобразуют полученные спектры поглощения в кривые распределения частиц наполнителя по размерам, идентифицируют экстремумы кривых распределения частиц наполнителя по размерам, определяют угол ориентации частиц внутри полимерной матрицы.
Изобретение иллюстрируется Фиг. 1-4 и Таблицами 1-2.
Фиг. 1. Схема расположения композитной пленки при регистрации ИК спектров. Направление экструзии совпадает с длинной стороной пленки, а направление ИК излучения перпендикулярно плоскости рисунка.
Фиг. 2. Спектральные характеристики композита - углеродные нановолокна в полипропиленовой матрице, полученные в соответствии со схемой Фиг. 1, где (а) - спектры поглощения, (б) - кривые распределения частиц УНВ по размерам.
Фиг. 3. Изменение размера проекции частицы наполнителя на плоскость, перпендикулярную падающему излучению при повороте на 30°, где α - угол ориентации частицы в объеме полимерной матрицы, L1 и L2 - проекции частицы на плоскость, перпендикулярную падающему излучению.
Фиг. 4. Микрофотографии сколов пленок полипропилена с различным содержанием углеродных нановолокон. Концентрация наполнителя указана на фото. Направление длинного края пленки отмечено стрелками в левых нижних углах фотографий. Пунктирными окружностями выделены отверстия, оставшиеся в результате выдергивания УНВ при раскалывании материала.
Таблица 1. Размеры рассеивающих частиц, мкм, рассчитанные из спектроскопических данных в зависимости от угла поворота пленки в соответствии с Фиг. 1.
Таблица 2. Углы ориентации, к оси экструзии частиц углеродных нановолокон в полипропиленовой матрице с 5% наполнением в зависимости от кратности вытягивания.
Сущность изобретения заключается в следующем.
М
Н
М
Н
Для определения ориентации анизометричных частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы при выполнении условия |n-n|>0, где n и n - показатели преломления матрицы и наполнителя соответственно, полимерные материалы облучают под разными углами источником ИК-излучения в соответствии со схемой Фиг. 1, преобразуют полученные спектры поглощения в кривые распределения частиц наполнителя по размерам, идентифицируют экстремумы кривых распределения частиц наполнителя по размерам, определяют угол ориентации частиц в объеме полимерной матрицы.
Пример выполнения способа
-1
Пленки, наполненные углеродными нановолокнами, получали формованием из расплава. Вначале готовили смесь, состоящую из порошка полипропилена с размером частиц менее 1 мм и углеродных нановолокон, в шаровой мельнице в течение 30 мин при T=20°C. Диспергирование наполнителя в расплаве полимера проводили с помощью двухшнекового лабораторного экструдера «DSM Eplore 5 ml» в течение 5 мин при температуре 200°C и скорости вращения шнеков 75 мин. Далее проводили экструзию через щелевую фильеру с зазором 0,4 мм и шириной 30 мм расплава полимера с диспергированным наполнителем. После выхода из щелевой фильеры пленка охлаждалась и наматывалась с постоянной скоростью на катушку приемного устройства. Толщина используемых композитных пленок составляла 10-30 мкм.
-1
ИК-спектры пропускания пленок регистрировали на Фурье-ИК спектрометре «Equinox 55», фирмы «Bruker» в диапазоне 7000-400 см.
Определение ориентации анизометричных частиц - углеродных нановолокон в объеме полипропиленовой матрицы проводили следующим образом:
1. Регистрируем спектры пропускания Фиг. 2а при облучении композита в соответствии с Фиг. 1.
2. Выделяем из ИК-спектра компоненту, связанную с рассеянием, путем вычитания из спектра наполненного материала спектр ненаполненного Вычитание проводится, например, в программе Opus программного обеспечения ИК спектрометра. Аппроксимируем спектр вычитания к функции вида  и переводим результат аппроксимации из обратных сантиметров в микрометры по оси X. Дифференцируем с учетом факта дифракционного рассеяния полученную кривую по длине волны и получаем распределение рассеивающих частиц по размерам Фиг. 2б.
3. Идентифицируем экстремумы кривых распределения частиц наполнителя по размерам. При этом положение максимума на кривой распределения будет соответствовать среднему размеру рассеивающих частиц - Таблица 1.
4. Определяем угол ориентации углеродных наночастиц в объеме полипропиленовой матрицы.
Изменение размера проекции частицы наполнителя на плоскость, перпендикулярную падающему излучению при повороте на 30°, показано на Фиг. 3. Если предположить, что толщина углеродных нановолокон много меньше его длины, то
1
1
2
2
3
3
L/cosaα=D, L/cos(α+30)=D, L/cos(α+60)=D
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Определив по п. 3 средние размеры рассеивающих частиц при углах ориентации α, α+30 и α+60 соответственно L, L, L, с учетом, что размер частицы L=D=D=D, находим α простым численным перебором его возможных значений так, чтобы отклонение D, D и D от их среднего L=(D+D+D)/3 было минимальным.
Углы ориентации к оси экструзии частиц углеродных нановолокон в полипропиленовой матрице с 5% наполнением в зависимости от кратности вытягивания, определенные по заявляемому способу, отражены в Таблице 2.
На Фиг. 4 приведены микрофотографии сколов пленок с различным содержанием углеродных нановолокон. Наблюдаемое равномерное распределение УНВ в полимерной матрице без их существенной агрегации подтверждает корректность определения угла ориентации частиц углеродных нановолокон, размер наблюдаемых углеродных волокон соответствует заявленным производителем параметрам: средняя длина ~5 мкм, диаметр ~150 нм, заметно преобладание ориентации углеродных нановолокон в направлении экструзии, то есть перпендикулярно поверхности скола, что также подтверждает результаты определения угла ориентации углеродных нановолокон заявляемым способом.
ИК спектроскопический экспресс-способ определения ориентации анизометрических частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы реализован на стандартном оборудовании лаборатории спектроскопии ЦКП ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет».