Механика композитных материалов 3 1979
..pdfструктура представлена сетью волоконец размером 0,1—0,3 мкм. Постоянство морфоло гических признаков и размеров волоконец толщиной 0,1—0,3 мкм позволяет рассматри вать их в качестве самостоятельных унифицированных структурных единиц коллагено вого волокна. Условно они обозначены нами как первичные волоконца. Более крупные волокнистые элементы отличаются от первичных волоконец не только своими размерами, но и преимущественной ориентацией вдоль коллагенового волокна. Эти структурные элементы коллагенового волокна выделены нами как вторичные волоконца. Таким обра зом, в составе коллагенового волокна наряду с фибриллами, согласно полученным дан ным, можно выделить первичные и вторичные волоконца как самостоятельные структур ные единицы. Первичное волоконце представляет собой пучок коллагеновых фибрилл. Вторичное волоконце является агрегатом, состоящим из сети первичных волоконец. Плот ная упаковка первичных волоконец, с нашей точки зрения, сопровождается их дефор мацией. Таким образом, можно предположить, что коллагеновое волокно представляет собой своеобразную напряженную конструкцию. Согласно полученным данным в основе конструкции коллагенового волокна на уровне микроструктуры лежит сеть плотно упа кованных анастомозирующих волоконец толщиной 0,1—0,3 мкм, которые образуют каркас, связанный с небольшим количеством матрикса белково-полисахаридной природы.
Согласно современным представлениям среди неколлагеновых компонентов волокна наибольшее значение имеют протеогликаны и гликопротеиды. Эти углеводно-белковые комплексы взаимодействуют с коллагеном и обеспечивают объединение фибрилл в во локна3- 4. Вместе с тем результаты исследования свидетельствуют об исключительно важ ной роли углеводно-белковых комплексов в формировании и стабилизации микрострук туры коллагенового волокна. Распад данных соединений приводит к исчезновению характерных размеров, формы и архитектоники коллагеновых волокон при сохранении их основных структурных элементов. Изменения конструктивных особенностей коллагено вого волокна, связанные с разрушением углеводно-белковых комплексов, очевидно, могут оказывать существенное влияние и на его механические свойства. В частности наруше ние плотности упаковки первичных волоконец должно сопровождаться изменением упру гих свойств коллагенового волокна.
Результаты морфологического анализа позволяют выделить структурные механизмы, определяющие высокую механическую прочность и надежность коллагенового волокна. К числу таких механизмов относятся анастомозы между первичными волоконцами, объ единяющие их в единую сетевидную конструкцию. Существенную роль в стабилизации структуры коллагенового волокна играют углеводы и их белковые комплексы, обеспечи вающие взаимосвязь между первичными волоконцами и плотность их упаковки. Вторич ные волоконца дополнительно стабилизируют коллагеновое волокно по отношению к действию сил, прилагаемых в продольном направлении. По нашему мнению, повышению прочности способствует также наличие вязкого материала между структурными элемен тами коллагенового волокна в виде гликозаминогликанов и их белковых комплексов — протеогликанов. Известно, что присутствие вязкого вещества приводит к обрыву кон центрации напряжений, возникающих в деформируемом теле5.
Таким образом, полученные данные дают основание полагать, что особенности струк турной организации играют исключительно важную роль в формировании механических свойств коллагенового волокна.
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы |
|
|
|
|
||
1. М о с о л о в |
В . В . Протеолитические ферменты. М., 1971. 200 с. |
коллаген |
||||||||
2. И с т р а н о в |
Л . |
П ., |
Н е с т е р о в а |
Г . |
А . Действие различных |
протенназ на |
||||
дермы теленка. — Прикладн. биохимия, 1974, № 2, с. 330—334. |
point of view. |
— |
Fed. |
|||||||
3. |
S c h u b e r t |
М . |
Structure of connective tissues a chemical |
|||||||
Proc., |
1966, vol. |
25, p. 1047— 1052. |
|
Collagen-glycosaminoglycan interactions. |
— |
In: |
||||
4. |
G a c k s o n |
D. |
S ., |
B e n t l e y S . |
P. |
|||||
Treatise on collagen, |
1968, vol. 2, p. 189—206. |
|
|
|
|
|||||
5. А л е к с а н д е р А . Биомеханика. M., 1970. 220 c. |
|
|
|
|
||||||
Москва |
|
|
|
|
|
Поступило в редакцию |
27.12.78 |
|||
|
|
|
|
|
|
Механика |
композитных материалов, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
1979, № 3, |
с. 544—545 |
35 -617 |
545 |
УДК 611.08:539.4
Л . Н . Ш е с т е р н и н а , Е . П . П а ш к о в , Л . А . Я г о д а
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ СУХОЖИЛИЙ, КОНСЕРВИРОВАННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ*
В клинической практике пластика сухожилий с применением различных материалов, как биологических, так и синтетических, производится довольно часто. Как свидетельст вуют данные литературы1-10, перспективным пластическим материалом является алло- и
ксеносухожильная ткань. Анализ литературы по консервированию сухожильной |
ткани |
в жидких средах9, 10, методом лиофилизации13-15, низкими температурами15-17 |
свиде |
тельствует о том, что эти методы полностью не сохраняют биологическую полноценность сухожилий до момента пересадки. Работ, посвященных консервированию сухожильной ткани при ультранизких температурах, в частности, с использованием криологического оборудования с программным замораживанием, в доступной литературе мы не встре тили. Как известно, исход сухожильной пластики зависит как от биологической полно ценности трансплантата, так и его физико-механических свойств. Если механические свойства свежих неконсервированных сухожилий в некоторой мере изучены18-20, то све дений об изменении физико-механических свойств сухожилий в процессе консервирова ния различными способами в доступной литературе не найдено.
Нами проведены экспериментальные исследования по определению механической прочности и изучению морфологического строения сухожилий, консервированных в жидкости Белякова 31-Е и при ультранизких температурах. Консервирование в жидкости Белякова 31-Е проводили при температуре 4° С с соблюдением условий стерильности и смены жидкости через каждые 10 дней. Консервирование при ультранизких температурах осуществляли в жидком азоте при температуре —196° С по предложенной нами методике, с применением специальной ограждающей среды. Состав ограждающей среды: раствор Рингера — 88,0; глицерин (15% раствор глицерина) — 12,0; глюкоза 40% — 10,0 (рас твор Рингера можно заменить средой 199 или раствором Хенкса). Сроки инкубации ко лебались от 2 до 4 ч, после чего замораживание проводили по следующей программе: до 0°С — скорость охлаждения 2° в 1 мин, от 0 до 15° С — Г в 1 мин, от 15 до 120° С — 10° в 1 мин; затем ткани переносили на хранение в жидкий азот. Оттаивание сухожилий проводили быстрее — при 42° С в избыточном количестве раствора Рингера.
Объектом исследования были сухожилия перонеальных мышц. Аллосухожилия брали от лиц, умерших скоропостижно. Возраст доноров составлял от 20 до 50 лет. Ксеносухожилия брали от крупного рогатого скота в возрасте 9— 18 месяцев. Всего было исследовано 114 сухожилий, из них 30 свежих, неконсервированных (15 алло- и 15 ксеносухожилий), 42 консервированных в жидкости Белякова 31-Е (21 алло- и 21 ксеносухожилие), 42 консервированных при ультранизких температурах ( —196° С) (21 алло- и 21 ксеиосухожилие). Сроки консервирования составляли от одного месяца до трех лет. Гистологические исследования и определение физико-механических свойств сухожилий проводили в сроки 1, 3, 6, 9, 12 месяцев, 2 и 3 года, по три сухожилия на каждый срок. Прочность сухожилий определяли на разрывной машине РТ-250 в контрольно-аналити ческой лаборатории Украинского научно-исследовательского института кожевенно-обув ной промышленности. Определяли нагрузку в килограмм-силах в момент разрыва сухо жилия, а также удлинение в миллиметрах.
При испытании сухожилий на прочность применяли различные варианты закрепле ния концов сухожилий в зажимах разрывной машины. Однако в связи с травмированием и разминанием сухожильной ткани зажимами были специально изготовлены клеммы-за жимы, в которых крепились концы сухожилий. Испытывали отрезки сухожилий длиной 5, 10, 15 см, размеченные на участки по 20 мм. Для расчета прочности сухожилий исполь зовали формулу Q= p/T кгс/мм2, где Q — предел прочности; р — нагрузка, необходимая для разрыва испытываемого материала; Т — площадь поперечного сечения. Так как испытываемый образец сухожилия имел различную толщину, то площадь поперечного сечения определяли в каждой из намеченных точек.
Доклад, предстаплснныП на II Всесоюзную конференцию по проблемам биомеханики (Рига, ап- рель 1979 г.).
546
Первоначально площадь поперечного сечения определяли умножением толщины на ширину в каждой точке. Толщину определяли при помощи толщиномера, ширину — штангенциркулем. С целью повышения точности измерения в дальнейшем определяли площадь поперечного сечения сухожилий по месту разрыва следующим образом. Разо рванный участок сухожилия помещали в градуированный цилиндр объемом 1000 мм3. Цилиндр с сухожилием, заполняли водой до метки 1000 мм3. С помощью градуирован ной бюретки объем сухожилия определяли по разнице (1000-У) мм3, где У — количество воды, ушедшее из бюретки. Разделив объем участка сухожилия на первоначальную его длину, получили площадь поперечного сечения. Прочность выражали в абсолютных на грузках в килограмм-силах и пересчитывали на единицу сечения.
При обобщении цифровых данных по определению прочностных свойств установ лено, что сухожилия, консервированные в жидком азоте с криозащитными веществами, в сроки от одного месяца до трех лет практически полностью сохраняют прочность, их предел прочности составляет 4—6 кге/мм2. Наряду с этим было установлено снижение прочности сухожилий, консервированных в жидкости Белякова 31-Е, от 20 до 30%. Для однотипных аллосухожилий перонеальных мышц, не подвергавшихся консервации, проч ность в среднем составляла при разрыве 62,8 кге, при консервировании в жидком азоте спустя год составляла 62,2 кге, а через год прочность сухожилий, консервированных в жидкости Белякова 31-Е, составляла 46,5 кге.
Следует еще отметить, что макроскопически сухожилия, консервированные в жидком азоте, во все сроки наблюдения сохраняли свои свойства, были гладкими, блес тящими, эластичными и не отличались от свежевзятых. Сухожилия, консервированные в жидкости Белякова 31-Е, к третьему-четвертому месяцу становились тусклыми, набух шими, утолщенными, утрачивали эластичность.
При морфологическом изучении сухожильной ткани, консервированной в жидком азоте с ограждающей средой, даже по истечении трех лет хранения не выявлялось струк турных изменений, в то время как при консервировании в жидкости Белякова 31-Е уже к трем месяцам отмечались нарушение морфологического строения сухожильной ткани, гомогенизация структуры сухожилий, выраженное набухание коллагеновых волокон и дегенеративные изменения клеточных элементов.
Таким образом, консервирование сухожилий в жидкости Белякова 31-Е в связи с изменением морфологической структуры снижает прочность сухожилий, в то время как консервирование сухожильной ткани в жидком азоте с применением ограждающей среды позволяет длительное время сохранять ее эластичность, прочность, форму и морфологи ческое строение.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Д е г т я р е в а С . И. Гомопластика сухожилий по данным эксперимента и клиники. —
Тр. XIX пленума |
ученых советов института травматологии и ортопедии. М., 1959, |
с. 555—556. |
П . Гомопластическое замещение дефектов сухожилий кисти и паль |
2. Д е м и ч е в Н . |
цев. — Респ. научн.-практ. конф. по проблемам консервирования и применения гомо- и
гетеротканей в ортопедии и травматологии. Киев, 1974, с. 236. |
|||
3. Д е м и ч е в Н . П . |
Сухожильная |
гомопластика |
и реконструктивная хирургия. Рос |
тов, 1970. 206 с. |
|
|
Р . П . Ф и л и п п о в а . Гомопластика при |
4. В . К . К а л н б е р з , |
Л . К . К а т л а п , |
Г . Р . Р у н д , |
повреждениях сухожилий и связок. — В кн.: Респ. научн.-практ. конф. по проблемам консервирования и применения гомо- и гетеротканей в ортопедии и травматологии. Киев,
1964, с. 239—240. |
|
|
|
|
Н . П . Сухожильная гомопластика в эксперименте и |
|
5. К о в а л е н к о |
П . П ., |
Д е м и ч е в |
||||
клинике. — Ортопедия, травматология и протезирование, 1969, № 7, с. 75—81. |
|
|||||
6. К о в а л е н к о |
П . |
П . |
Клиническая трансплантология. Ч. 2. Ростов, 1975. 367 с. |
|||
7. К о л о н т а й |
Ю . |
Ю . |
Возможности и перспективы развития сухожильной гомоплас |
|||
тики в ортопедии и травматологической клинике. — В кн.: Респ. межведомств, сб., |
1970, |
|||||
вып. 4, с. 192—201 |
(Киев). |
|
С . Применение консервированных фасциальных и су |
|||
8. К р у п к о И . |
Л ., |
Т к а ч е н к о |
С . |
|||
хожильных гомогенных |
тканей |
в |
травматологии и ортопедии. — Хирургия, |
1967, |
№7, с. 5—9.
9.П а ш к о в Е . П . Замещение дефектов сухожилий консервированными гомо- и гете
ротрансплантатами. Дис. на соиск. учен. степ. канд. мед. наук. Киев, 1965.
10. М ш в и д о б а д з е М . В . Консервация и трансплантация сухожилий. Тбилиси, 1977. 96 с.
35 |
547 |
11. К р у п н о |
И . Л ., Т к а ч е н к о С . С . Пересадка консервированных сухожильных транс |
||||
плантатов. — Вести, хирургии им. Грекова, 1964, № 8, с. 65—69. |
|||||
12. |
Б е р и н г е р |
1 0 . |
В . Консервирование сухожильных гомотрансплантатов в жидких |
||
средах. — В кн.: Вопр. травматологии и ортопедии, Л., 1965, с. 118—122. |
|||||
13. К л е н Р . |
Заготовка и консервирование тканей. Прага, 1962. 316 с. |
||||
14. Д е м и ч е в |
И . П . Теория и практика пересадки лиофилизированных сухожилий. — |
||||
В кн.: Хирургия сухожилий, т. 24. 1974, с. 27—36 (Волгоград). |
|||||
15. |
К о в а л е н к о |
П . |
П ., |
К р и ст о ст у р я н Р . О . Лиофилизация и трансплантация тканей. |
|
Ростов, |
1970. |
|
|
|
Возможности и перспективы развития сухожильной гомоплас |
16. |
К о л о н т а й |
Ю . |
Ю . |
||
тики в ортопедо-травматологической клинике. Вып. 1, Киев, 1970, с. 192—201. |
|||||
17. |
Д е м и ч е в |
Н . П . Консервирование и гомотрансплантация сухожилий в восстано |
|||
вительной хирургии. Автореф. дис. на соиск. учен. степ, д-ра мед. наук. М., 1968. |
|||||
18. |
О б ы с о в |
А . |
С . Надежность биологических тканей. М., 1971. 94 с. |
||
19. |
П и м е н о в а |
А . |
П . Становление упругих свойств пяточного сухожилия человека в |
||
онтогенезе. Дис. на соиск. учен. степ. канд. мед. паук. Горький, 1966. |
|||||
20. |
К а р а с е в |
В . И . Потенциальная возможность подкожных разрывов ахиллова сухо |
жилия при действии вертикальной силы на растяжение. — Ортопедия, травматология, протезирование, 1969, № 2, с. 41—43.
Киевский научно-исследовательский институт ортопедии |
Поступило в редакцию 28.12.78 |
Украинский научно-исследовательский институт |
Механика композитных материалов. |
кожевенно-обувной промышленности |
|
|
1979, № 3, с.546—543 |
УДК 611.71:620.111.3
Е . И . Л о ц о в а
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ФИКСАТОРА ПОВРЕЖДЕННОЙ КОСТИ
Ультразвук с успехом используют в травматологии и ортопедии в целях регулирую щего воздействия на процессы репаративной регенерации поврежденной кости1-5. Однако в тех случаях, когда для сопоставления отломков поврежденной кости и удержания их в правильном положении необходимо использовать металлические фиксаторы, возни кает опасность миграции скрепляющих конструкций под влиянием механических коле баний. Возможно также отрицательное влияние ультразвука на механические свойства металла, из которого изготавливают фиксаторы. Наиболее часто для этих целей ис пользуют сталь марки IX18H9T. Сочетание элементов, входящих в ее состав, предрас полагает к неустойчивому состоянию аустенитной структуры. Охрупчивание фиксатора и снижение его механической прочности нарушают стабильность фиксации поврежденной кости и чревато такими осложнениями, как замедление консолидации или образование ложного сустава. По имеющимся у нас сведениям эти явления еще не изучены. В то же время ответ па поставленные вопросы имеет большое значение для практической меди цины, что и побудило нас провести данную работу.
Объектом исследования служили спицы Киршнера от двух групп больных (по пять образцов спиц в каждой), использованные для скрепления поврежденных коротких труб чатых костей кисти и извлеченные из кости после ее полного заживления. Ультразвук в качестве лечебного фактора применяли у больных только первой группы. Частота ко лебаний 890 кГц. Интенсивность воздействия 0,4—0,6 Вт/см2. Озвучивание проводили ежедневно в непрерывном режиме через дегазированную воду при температуре 36—37° С. Всего было осуществлено 15 воздействий.
Больных второй группы влиянию ультразвука не подвергали и использовали в ка честве контроля. Контроль был проведен двумя способами. На основании клинико-рент генологических данных судили о прочности фиксации поврежденной кости, а результаты металлографического исследования и испытания на прочность извлеченных из организма спиц Киршнера после заживления кости свидетельствовали о состоянии самого фикса тора*.
Испытанно образцов спнц па растяжение н металлографические исследования проведены па кафедре технологии металлов Рижского политехнического института.
548
Результаты работы оценивали на основании сопоставления сведений, полученных от больных обеих групп.
При клинико-рентгенологической проверке миграции спиц не наблюдали. Металло графический анализ образцов озвученных спиц структурных дефектов не выявил. Неко торое снижение степени наклепа в озвученных образцах по сравнению с исходным их состоянием следует расценивать как проявление процесса естественного «старения» стали. По своим механическим свойствам спицы практически не различались.
Итоги проведенного нами исследования позволяют заключить, что озвучивание спиц Киршнера в указанном режиме не влияет на прочность данного фиксатора поврежден ной кости.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Амелин. А. 3., Косачева В. К-, Лоцова Е. И., Громан Г Б., Пуритис Ю. П. О влия нии ультразвука на костную ткань. — В кн.: Научн. тр. Рижск. пауч.-исслед. ин-та трав матологии и ортопедии, 1977, т. 14, с. 103— 105.
2.Амелин А. 3., Лоцова Е. И., Петухова Л. И. Морфологические особенности кост
ного регенерата под влиянием ультразвука. — Механика полимеров, 1978, № 6,
с.1121— 1122.
3.Лоцова Е. И., Петухова Л. И., Беркович Л. Ш. Ультразвук в комплексном восста новительном лечении больных с внутрисуставными переломами коленного сустава. —
Вкн.: Актуальные вопр. лечения переломов длинных трубчатых костей. Л., 1975, с. 16.
4.Лоцова Е. И., Амелин А. 3. Експериментално изеледване на влияннето на ултразвука въерху зарастването на увредена кост. — Курортол. и физиотер., 1977, т. 14, № 1,
с.20—22 (София).
5.Специальная физиотерапия. София, 1972. 521 с.
Рижский научно-исследовательский |
Поступило в редакцию 16.02.79 |
институт травматологии и ортопедии |
Механика композитных материалов, |
|
|
|
1979, Л§ 3, с. 548—549 |
УДК 539.2:678.01:620.111.3
А. П. Верховец, А. Э. Галь, Л. Е. Утевский, Н. П. Лексовская
СОПОСТАВЛЕНИЕ ФАКТОРОВ СРЕДНЕМОЛЕКУЛЯРНОЙ ОРИЕНТАЦИИ, ОПРЕДЕЛЕННЫХ АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
И МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Для определения фактора среднемолекулярной ориентации а полимеров все более широко применяется акустический метод с использованием уравнений Мозли1. Однако ряд авторов2- 3 оспаривает возможность использования этих уравнений для расчета а. Решению вопроса может помочь сопоставление величин а, полученных разными физиче скими методами на различных типах полимеров.
Целью данной работы явилось сопоставление величин факторов среднемолекулярной ориентации, измеренных акустическим методом и методом ИК дихроизма. Величину а определяли по ИК дихроизму соответствующих полос поглощения4- 5, а также акустиче ским методом с использованием неупрощенного уравнения Мозли1.
Объектами исследования служили две группы полимеров — алифатические и арома тические. В первую группу входили аморфный полистирол (ПС), слабокристаллический поливинилхлорид (ПВХ), высококристаллический поливиниловый спирт (ПВС) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ). Вторая группа включала полиметафениленизофталамид (ПМФИФА), полипарафенилентерефталамид (ПФТА), полипарабензамид (ПБА), полипиромеллитимид ПМ (ПИ-ПМ). Выбор объектов обусловлен необходимостью сопостав ления значений а для полимеров, возможно более сильно различающихся как молеку лярной, так и надмолекулярной структурой.
На одном из исследованных полимеров — ПВС — с целью экспериментальной про верки пригодности формул для оценки средиемолекулярмой ориентации па пленках с различной кратностью вытягивания были определены ориентация кристаллитов по полу ширине азимутального распределения интенсивности экваториального рефлекса 101 па
549
приборе УРС-50-ИМ, среднемолекулярная ориентация по данным акустического метода (на частоте 50 кГц импульсным методом6). В качестве независимой характеристики сред
немолекулярной ориентации использовался ИК дихроизм |
полос поглощения, |
лежащих |
|||||
в области валентных колебаний |
СНг-групп |
атомов |
для алифатических |
полимеров (об- |
|||
ласть 2900 см-1), с расчетом среднемолекулярнои ориентации по формуле |
а = |
2(1—7?) |
|||||
--------------R+2 |
|||||||
и деформационных плоскостных колебаний бензольных колец |
(1020 см-1) для аромати- |
||||||
ческих полимеров с расчетом по формуле |
R-1 |
Эти |
формулы |
получаются из |
|||
а = --------- |
. |
||||||
|
|
R +2 |
|
|
|
|
|
3 cos2 0— 1 ------- |
4 |
R - 1 |
|
1 |
1 |
(3 — угол |
|
уравнения Германса а = ---------------- |
■, где cos20 = ------------------------------ |
R +2 |
|
+■— ; |
|||
|
|
3 |
3 cos2 (i—1 3 |
|
D\\
между вектором дипольного момента перехода и осью цепи; R=-JL-, £)ц, D ± — оптиче-
ские плотности полос поглощения, измеренные для падающего света, в котором колеба ния электрического вектора соответственно параллельны и перпендикулярны оси ориен тации пленки.
В целом ряде работ1’ 6-9 для определения среднемолекулярной ориентации исполь зуется не первоначальная формула Мозли
1 |
1—COS20 |
COS20 |
|
|
------------+ -------- |
( 1) |
|
|
|
|
|
а упрощенный вариант этой формулы: |
|
|
|
|
3 cos2 0 —1 |
сн |
(2 ) |
0&ак= |
,= 1 |
г |
|
|
2 |
С2 |
|
В этих формулах Е — модуль образца, определенный акустическим методом; Е± , £ц — модули гипотетических образцов, в которых все молекулы ориентированы перпендику лярно и параллельно направлению распространения упругого импульса; аак — акустиче ский фактор среднемолекулярной ориентации относительно направления распростране ния упругого импульса; сн, с — величины скорости звука в неориентированном и иссле дуемом образцах соответственно.
В работе2 выдвинуто возражение против применения формулы (2) для определения ориентации кристаллических полимеров и допускается применение этой формулы для кристаллических полимеров лишь в том случае, если измерения проводятся при темпера туре, существенно меньшей температуры стеклования Те. Вместо этого в работе2 пред лагается определять среднемолекулярную ориентацию по формуле
-СоДО
- С 0 2 2/с012
где с, с01, Со2 — скорость звука в исследуемом, идеально ориентированном и изотропном образцах соответственно. При этом c0i предлагается определять по формуле
Coi= |
ас2 |
(4) |
, |
1— (1 —а)с2/с022
где а — рентгеновский фактор ориентации, характеризующий ориентацию кристаллитов, определенную рентгеновским методом.
Необходимо отметить, что переход от формулы (1) к формуле (2) был осуществлен в1 в результате ряда принятых допущений: во-первых, принимается
Р—Р_1_—Рц—Рц, |
(5) |
550
где р, рн, Рц, — плотности реальных ориентированного и неориентированного образцов и двух гипотетических образцов с идеальной ориентацией молекул перпендикулярно и параллельно распространению упругого импульса; во-вторых, когда Сц>12 км/с, прини мается
Сц = 0 ° . |
( 6 ) |
Допущения |
(5) |
и (6) |
позволили в1 перейти от формулы (1) к формуле (2). Сопоставле |
ние формул |
(3) |
и (4) |
показывает, что полученные в результате их применения значения |
фактора среднемолекулярной ориентации окажутся равными фактору ориентации крис таллитов.
Между тем существует большое количество работ5,1013, в которых на различных полимерах показано, что ориентация кристаллитов всегда существенно выше ориента ции аморфных участков. Более того, в работе14 показано, что рост ориентации кристал литов в определенных условиях может сопровождаться падением ориентации аморфных участков. Поэтому совпадение рентгеновской ориентации кристаллитов и среднемолеку лярной ориентации аморфно-кристаллического образца может свидетельствовать, по на шему мнению, только о наличии экспериментальных или теоретических ошибок, но никак не о корректности метода определения среднемолекулярной ориентации.
Вводить все допущения Мозли нет необходимости. Известно, что для изотропного образца cos2 0 = УзПодставляя эту величину в формулу (1), получим:
2£ц£н
Е . = ----- ----- ,
1 ЗДц-Дп
где Ев — модуль изотропного образца. При дальнейшей подстановке формулы (3) в (1) и (2) получим:
\ -Е в1Е
(7)
1— Ев/Еп
или при допущении о равенстве плотностей (5) —
1—сн2/с2
1-Сн2/С|]2
В соответствии с представлениями о £ц как модуле упругой деформации молекуляр ных связей1 примем: Ец= £ ,= £ „ исходя из того, что для большого числа полимеров ЕТ= Е К (см.15). Тогда формулу (7) можно представить в виде:
\-Ев/Е
(8)
1 —Ев/Ек
Хорошим экспериментальным подтверждением корректности формулы (8) и примени мости формулы (2) для полимеров с большим £ т может служить приведенный рис. 1. На этом рисунке сопоставлены величины акустического фактора ориентации поливинилспиртовых пленок, определенные по формуле (8), предложенной в14, и по формуле (3), предложенной в2, с фактором ориентации, определенным по ИК дихроизму4,5. Для рас чета по формуле (8) использовались величины скорости звука, замеренные при —180° С, а для расчета по формуле (3) в соответствии с2 — при 20° С, а также величины рентге новского фактора ориентации. Как видно из рис. 1, применение формулы (8), равно как и формулы (2), дает результаты, находящиеся в хорошем соответствии с результатами спектральных измерений, в отличие от формулы (3), предложенной в2.
Все это позволило для сравнения среднемолекулярпой ориентации на остальных по лимерах пользоваться формулой (8) и сопоставлять полученные величины с результа тами по ИК дихроизму.
551
Рис. 1. |
Рис. 2. |
Рис. 1. Сопоставление величин фактора ориентации кристаллитов (—V —), а также фактора сред немолекулярной ориентации, определенных по формулам (3) (—О —) и (8) (—А —), и по ИК дих роизму для ПВС пленок.
Рис. 2. Сопоставление величин факторов ориентации, определенных акустическим и спектральным методами для различных полимеров: 1 — ПС; 2 — ПВХ; 3 — ПБА; ПФТА; 4 — ПЭТФ; 5 — ПИ-ПМ; 6 — ПМФИФА; 7 — ПВС.
Как видно из рис. 2, практически для всех полимеров выполняется линейная зави симость между ориентацией, определенной акустическим и спектральным методами. Тан генс угла наклона лежит в пределах 1,08—0,83 для хорошо кристаллизующихся поли меров. Для слабокристаллического ПВХ и аморфного ПС отношение величин факторов ориентации по данным акустического и спектрального методов равно 0,63.
Причины различий для аморфных и кристаллических полимеров неясны. Тем не менее, применимость ранее предложенного варианта определения среднемолкулярной ориентации по данным акустического метода14 для широкого круга полимеров подтверж дается результатами, полученными независимым методом другой физической природы.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Mosely W. W. The measurement of molecular orientation in fibers by acoustic methods. — J. Appl. Polymer Sci., 1960, vol. 3, N 9, p. 266—276.
2.Перепечко И. И. Акустические методы исследования полимеров. М., 1973. 208 с.
3.Утевский Л. Е., Верховец А. П. О применимости формулы Мозли для определе ния среднемолекулярной ориентации кристаллических полимеров. — Высокомолекуляр ные соединения. Сер. Б, 1973, т. 15, № 7, с. 546—550.
4.Новак И. И., Веттегрень В. И. Исследование молекулярной ориентации в волок нах капрон методом ИК спектроскопии. — Высокомолекулярные соединения, 1964, т. 6,
№4, с. 706—709.
5.Габараева А. Д. Ориентационная вытяжка и прочность линейных аморфных и кристаллических полимеров. Дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. Л., 1975. 205 с.
6.Носов М. П., Осинин С. Г. Акустический метод исследования молекулярной
ориентации волокон. — Высокомолекулярные соединения, 1966, т. 8, № 5, с. 829—833. 7. Morgan Н. М. Correlation of molecular orientation measurements in fibers by optical birefrigence and pulse velocity methods. — Textile Res. J., 1960, vol. 32, N 10,
p.866—868.
8.Голик A. 3., Кучинка M. Ю., Фридман А. Я. Исследование связи между показа телями молекулярной ориентации, определенными по двулучепреломлению и акустиче ским методом, и влияние этой ориентации на прочность поликапроамидных волокон. — Механика полимеров, 1967, № 1, с. 3—7.
9.Роговина А. А., Файнберг Э. 3. О применении метода определения скорости звука для исследования химических волокон. — Хим. волокна, 1972, № 6, с. 53—55.
10.Samuels R. I. Morfology of deformed polypropylene. — J. Polymer Sci., 1965, vol. A3, N 5, p. 1741— 1764.
11. Dumbleton I. H. Chain folding in oriented poly (ethylene terephthalate). — Poly mer Sci.,1969, A2, vol. 7, N 4, p. 667—674.
12.Журков С. H„ Новак И. И., Левин Б. Я. Связь прочности полимера с молекуляр ной ориентацией. — Высокомолекулярные соединения, 1965, т. 7, № 7, с. 1203— 1207.
13.Гинзбург Б. М., Сорокин А. Я., Френкель С. Я. О самоориентации структурных
элементов при термообработке волокон из ПВС. — Физика твердого тела, 1966, т. 8, № 3, с. 647—650.
552