книги из ГПНТБ / Князев, В. К. Облученный полиэтилен в технике

Т а б л и ц а 48. Влияние ориентации на физико-механические свойства рукавной пленки из полиэтилена низкой плотности,

облученной до дозы 50 Мрад

ние при разрыве, %

*По отношению к направлению экструзии рукава.

Та б л и ц а 49. Физико-механические свойства облученной пленки из полиэтилена низкой плотности

153

удлинение при разрыве в направлении ориентации облу­ ченной одноосно-ориентированной полиэтиленовой плен­ ки (табл. 49) [422]. Эта закономерность сохраняется и при различных температурах испытаний.

Т а б л и ц а 50. Влияние дозы у-излучения на физико-механические свойства экструдированного листового полиэтилена высокой плотности

* По отношению к направлению экструзии.

Полученные данные свидетельствуют о том, что ани­ зотропия свойств, наблюдаемая в исходном полимере, сохраняется и после его облучения вплоть до 200 Мрад. При 20 °С наиболее существенные относительные изме­ нения разрушающего напряжения и предела текучести при растяжении во всем интервале поглощенных доз наблюдаются для образцов, изготовленных из пластин в направлении, перпендикулярном ориентации. Возраста­ ние дозы до 160 Мрад увеличивает разницу между аб­ солютными и относительными значениями показателей прочности в продольном и поперечном направлениях по отношению к направлению ориентации. При более высо­ ких поглощенных дозах различия уменьшаются.

Приложение растягивающих усилий к образцам в на­ правлении, параллельном и перпендикулярном направ­

154

лению ориентации, показало, что при повышении темпе­ ратуры испытаний более значительное снижение прочно­ сти наблюдается в образцах, испытываемых в перпенди­ кулярном направлении. Эта закономерность сохраняется при любых поглощенных дозах излучения.

В табл. 50 приведены результаты изучения физико­ механических свойств экструдированного листового по­ лиэтилена высокой плотности. Полученные данные сви­ детельствуют о наличии анизотропии этих свойств в исходном и облученном полиэтилене, а также о разной эффективности действия излучения на свойства при раз­ личных направлениях приложения напряжения по отно­ шению к направлению экструзии.

В табл. 51 приведены показатели физико-механиче­ ских свойств гибкого листового материала АСПМ на основе полиэтилена низкой плотности, армированного одним и двумя слоями стеклоткани. Из таблицы видно, что прочность облученного материала в разных направ­ лениях различна.

Значительная анизотропия свойств сохраняется в ма­ териале и после работы его в качестве мембраны под из­ быточным давлением 1 кгс/см2. Независимо от числа

155

слоев, под воздействием кругового растяжения происхо­ дят изменения физико-механических свойств мембраны, величина и направление которых зависят от направле­ ния действующей нагрузки. Для двухслойного материала при этом наблюдается существенное упрочнение.

Заметное влияние технологической ориентации на свойства материала установлено также при экструзии листового пенополиэтилена при его испытаниях на рас­ тяжение до и после воздействия излучения (табл. 52).

Внаправлении, совпадающем с направлением экструзии

иориентации, наблюдаются более высокие показатели свойств и наименьшие их изменения при облучении.

* По отношению к направлению экструзии.

При производстве изделий из облученного полиэтиле­ на возможно влияние на эффективность радиационного модифицирования предрадиационной термической обра­ ботки и получение при этом материала с необходимыми

156

для конкретных областей применения свойствами. Широ­ ко используемый на практике тепловой метод упрочне­ ния и повышения долговечности пластмасс [423—430] также может быть использован и в производстве радиа­ ционно-модифицированных изделий.

В результате предварительной термообработки плот­ ность образцов полиэтилена низкого давления, облучен­ ных до дозы 100 Мрад, выше плотности аналогичных об­ лученных образцов, не подвергавшихся термической об­ работке.

Предварительная термообработка является также эффективным средством повышения твердости полиэти­ лена после облучения. При осуществлении термообра­ ботки образцов полиэтилена по оптимальному режиму (например, выдержка при 70°С в минеральном масле ИС-45 в течение 3 ч и медленное охлаждение в масля­ ной ванне) и последующего облучения до доз 10— 100 Мрад твердость повышается на 30—38% соответст­ венно. Увеличение твердости в 1,5 раза по сравнению с твердостью исходного полиэтилена может быть достигну­ то термообработкой его инфракрасными лучами при 90 °С в течение 1 ч и облучением до 100 Мрад. Во всех случаях твердость термически обработанных и облучен­ ных до 100 Мрад образцов полиэтилена высокой плотно­ сти выше, чем твердость образцов после облучения, но без предварительной термообработки. При исследовании образцов полиэтилена высокой плотности, полученных методом экструзии, было установлено, что максимальную твердость имеют образцы, обработанные в минеральном масле ИС-45 при 90 °С в течение 3 ч с последующим охлаждением на воздухе со скоростью 8°С/мин и облу­ чением до дозы 100 Мрад.

Исследования также показывают, что прочность по­ лиэтилена высокой плотности при растяжении после тер­ мической обработки и облучения может как возрастать, так и уменьшаться. Оптимальным режимом предрадиационной термообработки для литых образцов, дающим максимальное увеличение прочности полиэтилена (после облучения), является нагрев его до 70°С инфракрасны­ ми лучами, выдержка при этой температуре в течение 1 ч и медленное охлаждение со скоростью 2°С/мин. В результате термообработки и последующего облучения до дозы 100 Мрад разрушающее напряжение при растя­

157

жении образцов полиэтилена может быть увеличено на 16% по сравнению с исходным значением. Термическая обработка может замедлять скорость уменьшения отно­ сительного удлинения при разрыве по мере облучения полиэтилена высокой плотности в интервале доз от 5 до 50 Мрад. При больших дозах эффективность термообра­ ботки снижается. При дозах 10—20 Мрад наиболее ста­ бильное относительное удлинение при разрыве имеют образцы, подвергавшиеся термообработке в минераль­ ном масле ИС-45 в течение 3 ч при 70 °С с последующим охлаждением на воздухе со скоростью 7°С/минВозмо­ жен также выбор режима термообработки полиэтилена, при котором наблюдается увеличение относительного уд­ линения при разрыве в 2—3 раза после облучения до доз 10—20 Мрад, например нагрев до 90 °С в минеральном масле, выдержка в течение 1—3 ч и охлаждение в нем со скоростью 0,5°С/мин.

Аналогичные результаты могут быть получены при термообработке в парафине при 90 °С в течение 2 ч с охлаждением на воздухе со скоростью 8°С/мин или на­ греванием инфракрасными лучами до 90 °С, выдержкой при этой температуре в течение 1 ч и охлаждением на воздухе со скоростью 2—8°С/мин.

Для экструдированных образцов оптимальным режи­ мом термообработки с последующим облучением до доз 5—50 Мрад является нагревание при 70 °С в течение 3 ч

изатем охлаждение на воздухе со скоростью 7°С/мин.

Вработе [104] показано, что термообработка (закал­ ка) полиэтилена высокой плотности значительно (при­ мерно на один порядок) уменьшает абсолютное значение

его радиационной проводимости при комнатной темпера­ туре, а также изменяет зависимость логарифма проводи­ мости от логарифма мощности дозы излучения.

При испытаниях каландрованного листового (толщи­ на листа 2 мм) облученного полиэтилена высокой плот­ ности [430] измеряли предел текучести при растяжении и относительное удлинение при разрыве. Показано, что термообработка в процессе облучения увеличивает эф­

фективность сшивания, а эффекты ориентации ее сни­ жают.

Приведенные выше данные указывают на значитель­ ное влияние термообработки полиэтилена па эффектив­ ность его радиационного модифицирования.

158

Радиационная обработка полиэтилена

При осуществлении технологических процессов ра­ диационного модифицирования полиэтилена эффектив­ ность облучения определяется рядом факторов, к основ­ ным из которых относятся: поглощенная доза и мощ­ ность поглощенной дозы излучения, температура облуче­ ния, окружающая среда и ее плотность (давление или вакуум). Зависимости различных свойств полиэтилена от величины поглощенной дозы и ее мощности рассмот­ рены в работах [423—429], а также в гл. 1.

Необратимые изменения различных свойств полимера определяются преимущественно поглощенной дозой и мало зависят от вида излучения при осуществлении про­ цесса в вакууме или инертной среде. Тем не менее, при проведении радиационно-технологических процессов и выборе источника излучения необходимо учитывать ряд факторов, которые могут повлиять на качество получае­ мой продукции.

Использование нейтронного излучения при облучении полиэтиленовых изделий и материалов в реакторе вызы­ вает их радиационную активацию (так как содержащие­ ся в них примеси и компоненты имеют большие сечения захвата тепловых нейтронов) и появление долгоживу­ щих радиоактивных изотопов.

При использовании электронного излучения эффек­ тивность радиационной обработки зависит от энергии электронов. Малая проникающая способность электро­ нов даже весьма высоких энергий ограничивает их при­ менение.

Специфической особенностью действия электронного излучения на изоляционные материалы является само­ произвольно развивающийся в них электрорадиационный пробой без приложения внешнего электрического поля. Практическая важность учета этого явления за­ ключается в том, что в области торможения монохрома­ тических электронов создаются условия для постепенно­ го накопления электрического заряда высокой плотности с последующим пробоем, который на определенной глу­ бине материала или изделия создает широко разветв­ ленную сеть трещин и каналов с выходом к поверхно­ сти, разрушая, таким образом, материал. При воздейст­ вии на изделия или материалы мощных потоков элект­

159

ронного излучения эта форма пробоя может сочетаться с интенсивным тепло- и газовыделением в глубинных слоях материала, а также возникновением больших внутренних напряжений, что ускоряет и облегчает раз­ рушение изделий с образованием крупных полостей или пустот, потерей изделиями формы и размеров. Механизм данного явления изучен в настоящее время недоста­

точно.

Таким образом, промышленное применение электрон­ ного излучения ограничивается облучением тонкостенных изделий, листовых, профильных материалов. Толщина этих изделий должна быть меньше длины пробега элект­ ронов в применяемых материалах. При энергии электро­ нов 2 МэВ равномерная радиационная обработка поли­ этилена может быть проведена на глубину около 10 мм.

Облучение изделий любых форм значительных габа­ ритов и толщин может быть успешно осуществлено у- или рентгеновскими лучами, обладающими большой проникающей способностью.

При энергиях электронов и у-излучения более 10 МэВ возникает опасность радиационной активации материа­ лов.

Принципы генерации ионизирующих излучений, виды и конструкции применяемых для облучения источников излучений, методы их расчета, изготовления и монтажа, а также особенности эксплуатации весьма подробно рас­ смотрены в многочисленных работах [2, 3, 9, 10, 154, 201, 286, 427—467]. В связи с этим в данной работе приведе­ ны только краткие характеристики наиболее широко используемых в технике источников излучений, представ­ ляющих интерес для осуществления экспериментальных исследований при разработке, проведении радиационно­ технологических процессов, а также промышленном из­ готовлении материалов и изделий на основе облученно­ го полиэтилена.

Наиболее полные данные об эффективности облуче­ ния изделий из полиэтилена накоплены при использова­ нии радиационно-химических установок с изотопом 60Со (в качестве источника у-излучения и электронных уско­ рителей различных типов. Названные источники облада­ ют рядом перимуществ и недостатков.

К достоинствам изотопных гамма-установок следует отнести возможность сравнительно равномерного облу­

160

чения изделий большой толщины и сложной конфигура­ ции при значительных габаритах; простоту конструкции и высокую надежность; сравнительно легкое обеспечение требуемых условий облучения (вакуум, воздух, инертная среда, различные температуры); относительно невысокие требования к квалификации обслуживающего установки персонала.

Недостатки этих установок заключаются в трудности получения высокой мощности дозы в достаточно больших объемах, низком коэффициенте использования излучения (10—20%), снижении мощности дозы в результате рас­ пада изотопа.

Эффективность использования ускорителей обуслов­ лена возможностью получения высокой мощности дозы; высоким коэффициентом использования излучения; про­ стотой регулирования параметров поля излучения; воз­ можностью создания непрерывных высокопроизводи­ тельных процессов облучения при организации поточных линий.

К недостаткам использования ускорителей необходи­ мо отнести трудности, связанные с обеспечением равно­ мерности поля облучения; значительные тепловыделения в облучаемых объектах; сложность устройств и меньшую надежность конструкций, требующих высококвалифици­ рованного обслуживания.

Предъявляемые к изотопным гамма-установкам тре­ бования определяются их назначением, условиями экс­ плуатации и особенностями облучаемых объектов. По назначению различают установки для эксперименталь­ ных (преимущественно научных) исследований; установ­ ки для полупромышленных исследований и технических экспериментов с большим многообразием облучаемых объектов; установки для промышленной радиационной обработки различных объектов.

Установки бывают универсальные и специализиро­ ванные, стационарные и передвижные.

Установки различного назначения могут отличаться мощностью экспозиционной дозы излучения, степенью неравномерности дозного поля в зоне облучения, конфи­ гурацией облучателей, рабочим объемом облучаемого пространства, коэффициентом использования излучения, схемой перемещения объектов облучения или облучате­ лей в зону облучения и т. д.