Обработка экспериментальных данных

1. После проведения в соответствии с полученным заданием измерения диэлектрической проницаемости и tgδ исследуемых материалов результата измерения занести в табл. 5.1.

По результатам измерений построить зависимости от частоты и, если испытания проводились при разных температурах, от темпе- ратура.

Таблица 5.1

Наименование материала	d, мм	t, кГц	A1, пФ	A2, пФ	A, пФ	Cмат, пФ	B	Свозд, пФ		tgδ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

3. Дать анализ полученных результатов с точки зрения механизмов релаксационных процессов в испытуемых материалах с учётом их строения и структуры и возможностей применения исследованных материалов.

Контрольные вопросы

1. Что такое полярные и неполярные полимеры?

2. Что такое диэлектрические потери?

3. Какие типы диэлектрических потерь имеют место в полимерах?

4. Какой вид имеют зависимости и tgδ от частоты электрического поля для полимерных материалов?

5. Как влияет химическое строение полимера на диэлектрические потери?

Лабораторная работа 5

Исследование влияния условий кристаллизации на характер надмолекулярной структуры кристаллизующихся полимеров

Цель работы: Изучить влияние условий кристаллизации на характер надмолекулярной структуры полимеров и их физико-механи- ческие свойства.

Приборы и принадлежности: Оптический поляризационный микроскоп МИН-8, нагревательный столик, пинцет, покровные стекла, термошкаф, разрывная машина РМ-0,05.

Предварительная подготовка:

1. Ознакомиться с основными представлениями о надмолекулярной структуре полимеров и методами её исследования [1, с. 5 – 8, 478 – 540], [4, с. 131 – 167, 188 – 225, 227 – 260].

2. Ознакомиться с современными представлениями о механизме структурообразования в процессах переработки полимеров [2, с. 189 – 201], [3, с. ].

Методические указания

Изучение структуры полимеров может осуществляться различными физическими методами, которые позволяют оценивать особенности надмолекулярного строения полимеров на различных уровнях в диапазонах размеров от нескольких десятков ангстрем до сотен микрон.

К этой группе методов относятся прежде всего рентгенография и электронография, электронная и световая микроскопия, а также инфракрасная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, метод измерения диэлектрических потерь и др.

Дифракция рентгеновских лучей – наиболее распространенный метод исследования структуры полимеров, при этом дифракционная картона от кристаллической решётки наблюдается на углах рассеяния ~ 10° и более (область «больших углов»), а рассеяние от элементов надмолекулярной структуры с размерами в десятки и сотни ангстрем – на углах от нескольких минут до нескольких градусов (область «малых углов»). По рассеянию рентгеновских лучей под большими углами можно получить следующие сведения об элементах структуры полимера: определять параметры кристаллической решётки полимеров, оценивать размеры и форму кристаллитов, расположение их в пространстве относительно какого-либо направления, определять степень ориентации кристаллитов, оценивать степень кристалличности полимера. Метод широкоуглового рассеяния рентгеновских лучей позволяет получать информацию об элементах надмолекулярной структуры, размеры которых варьируются от единиц и десятков до десятков и сотен ангстремов.

Рассеяние рентгеновских лучей под малыми углями дает информацию о взаимном расположении кристаллитов в объёме полимера и обусловливается существованием регулярно расположенных неоднородностей, с величиной в десятки и сотни ангстремов, т.е. чередованием аморфных и кристаллических областей вдоль оси ориентации. Такие периодически чередующиеся области с различной электронной мощностью получили название «большого периода».

Применение электронографии для исследования полимеров основано на тех же принципах, что и применение рентгенографии, но рефлексы значительно интенсивнее и экспозиции, требуемые для получения четких электронограмм, весьма невелики. Недостатком метода является возможное разрушение кристаллической структуры в электронном пучке, что может быть связано как с разогревом образца и его плавлением, так и с появлением новых поперечных связей и разветвлений под действием облучения электронами.

Электронная микроскопия привела к наиболее важным открытиям в области надмолекулярной структуры полимеров, однако для исследования образцов в электронном микроскопе необходимо их специальное препарирование. Электронная микроскопия позволяет в принципе изучать отдельные структурные элементы полимеров размером от десяти ангстремов до нескольких микронов.

Непосредственное наблюдение структуры закристаллизованного полимера в оптическом микроскопе в неполяризованном свете практически невозможно из-за малой разности оптических плотностей закристаллизованной и аморфной частей. Такое наблюдение в ряде случаев осуществимо методом фазового контраста. Наиболее успешным оказывается применение поляризованного света. Кристаллизация полимеров вызывает эффект двойного лучепреломления, т.е. появления разности значений показателей преломления для лучей, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. Наличие двойного лучепреломления позволяет наблюдать структуру закристаллизованного полимера с помощью светового микроскопа в поляризованном свете при скрещенных поляроидах. Этот метод удобен для исследования поликристаллов размерами от нескольких микронов до сотен микронов. Оптимальная толщина образцов при наблюдении в проходящем свете 2…50 мкм (в зависимости от прозрачности и двойного лучепреломления образца), и для исследования пригодны только плёнки или тонкие срезы. Тонкие срезы с блочных образцов полимеров могут быть получены с помощью различных микротомов.

Аналогично рассеянию рентгеновских лучей рассеяние поляризованного света позволяет получать информацию о надмолекулярном порядке полимеров, как в твёрдом, так и в жидком состояниях. Однако из-за более высоких значений длины волны света λ (~ 10³ А°), метод малоуглового рассеяния поляризованного света дает возможность наблюдать распределение структурных элементов НМО и оценивать их средние размеры в пределах от десятков миллимикронов до десятка микронов (оптический уровень). Наиболее изученными объектами являются сферолиты и ориентированные кристаллические структуры. Методом светорассеяния получены интересные данные о размере сферолитов в полимерах, их структуре и перестройке при деформировании.

Типичные картины рассеяния плёнками полиэтилена при скрещенных поляроидах (Н_v – поляризация) приведены на рис. 5.1. Такие картины рассеяния могут наблюдаться на обычном поляризационном микроскопе при наблюдении картины дифракции с введенной в ход лучей линзой Бертрана, или на специальных дифрактометрах, оптическая схема которого приведена на рис. 5.2.

Сравнение результатов исследования надмолекулярной структуры, полученных методом малоуглового рассеяния поляризованного света и прямыми микроскопическими измерениями, показало практически полное совпадение результатов исследования.

Рис. 5.1. Н_v – картины рассеяния полиэтилена:

а – недеформированный сферолит;

б – сплюснутый сферолит

Рис. 5.2. Оптическая схема наблюдения рассеяния поляризованного света:

S – источник света; К – коллиматор; П – поляризатор; O – образец; А – анализатор; ПР – плоскость регистрации; θ – угол отклонения рассеянного луча от направления падающего луча; µ – азимутальный угол, определяющий положение рассеянного луча в плоскости регистрации