Научные стремления 2011-1

УДК 678.074

В.Д. Полоник, Н.Р. Прокопчук, Ж.С. Шашок

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛАСТОМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМ

ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНОМ

Белорусский государственный технологический университет, Минск

Введение. Резинотехнические изделия широко применяются в качестве уплотняющих элементов в различных машинах и механизмах. При этом они также подвергаются воздействию различных абразивных сред, воздействию смазочных масел, гидравлических жидкостей [1]. В тоже время существующий ассортимент резиновых смесей не всегда позволяет получить готовое изделие с заданным комплексом эксплуатационных свойств. Ввиду этого основным направлением при получении эластомерных композитов является применение различного рода модификаторов, в том числе и наноразмерных.

Целью данной работы было исследование влияния ультрадисперсного политетрафторэтилена (УПТФЭ) на триботехнические характеристики эластомерных композиций.

Материалы и методы исследований. Объектом исследований являлась наполненная эластомерная композиция на основе синтетического бутадиеннитрильного каучука БНКС-28АН с серной вулканизующей системой, применяемая для изготовления уплотнительных резинотехнических изделий различного назначения.

В качестве модификатора использовался ультрадисперсный политетрафторэтилен марки «Форум», являющийся продуктом термогазодинамического синтеза (ТГД-синтеза) ПТФЭ. УПТФЭ представляет собой порошок со сферообразными частицами размером 0,5 – 1 мкм [2]. Исследования, проведенные в [3] показывают, что продукты ТГД-синтеза ПТФЭ состоят из совокупности олигомерных и полимерных фракций с различной молекулярной массой, являющихся продуктами полимеризации тетрафторэтилена и термического распада блочных полуфабрикатов.

Сопротивление истиранию при скольжении по абразивной шкурке определяли на машине трения МИ-2 согласно ГОСТ 426-77. Стойкость к воздействию агрессивных сред оценивали по равновесной степени набухания в бензине согласно ГОСТ 9.030-74.

Результаты исследований и их обсуждения. Набухание резин в жидкой среде является диффузионным процессом, при котором происходит поглощение жидкости поверхностным слоем до достижения максимального равновесного набухания. При этом изменяется масса и объем резинового образца или изделия. На рисунке 1 представлены результаты определения равновесной степени набухания эластомерных композиций в зависимости от дозировки УПТФЭ.

601

Рисунок 1 – Влияние дозировки модификатора на равновесную степень набухания эластомерных композиций

Видно, что минимальное значение равновесной степени набухания наблюдается при дозировке УПТФЭ 0,2 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука. При этом стойкость к действию агрессивной среды повышается в 1,6 раза. Вероятно, это связано с взаимодействием фторсодержащих продуктов термодеструкции политетрафторэтилена, а также ядра частицы модификатора с эластомерной матрицей с образованием дополнительной сетки физических связей, которая препятствует проникновению молекул растворителя в объем композита.

Абразивный износ характеризуется царапаньем острыми выступами шероховатой поверхности истирающего тела. На истираемой поверхности образуются параллельные полосы, совпадающие с направлением скольжения. Повышение сопротивления резин истиранию - необходимое условие увеличения надежности и долговечности уплотнительных изделий.

На рисунке 2 представлены результаты определения сопротивления истиранию исследуемых эластомерных композиций.

Рисунок 2 – Влияние дозировки модификатора на сопротивление истиранию композитов

602

Представленные данные показывают, что применение продуктов термогазодинамического синтеза в качестве объемного модификатора эластомерных композиций позволяют повысить стойкость к воздействию абразивных сред на уплотнительное изделие. Вероятно, это связано с взаимодействием пластификатора, входящего в состав эластомерной композиции, с олигомерными частицами модификатора с образованием в приповерхностном слое структуры с повышенной устойчивостью к воздействию абразивных сред.

Заключение. В результате исследований было установлено, что применение продуктов ТГД-синтеза марки «Форум» позволяет осуществлять комплексное модифицирование эластомерных композиций.

Литературные источники

1 Абдрашитов Э.Ф. Трение и износ плазмохимически модифицированных эластомеров / Э.Ф. Абдрашитов [и др.] // Трение и износ. – Том 22, № 2. – С. 190-196.

2 Бузник В.М., Курявый В.Г. Морфология и строение микрпонных и наноразмерных порошков политетрафторэтилена, полученных газофазным методом / В.М. Бузник, В.Г Курявый // Российский химический журнал. – Том LII, № 3. – С, 131-139.

3 А. В. Струк Структура и свойства фторсодержащих нанокомпозитов на основе вулканизованных каучуков / А. В. Струк [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фізтэх. навук. – 2011. - № 1. – С. 25-31.

V.D. Polonik, N.R. Prokopchuk, Zh.S. Shashok

TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF ELASTOMERIC COMPOSITIONS, MODIFIED BY ULTRADISPERSE POLYTETRAFLUOROETHYLENE

Belarusian State Technological University, Minsk

Summary

The effect of product thermogas dynamic synthesis on tribological properties of elastomeric compositions is investigated. Found that the use of this modifier can increase resistance to a variety of corrosive and abrasive environments of the rubber.

603

УДК 537.523/527; 533.9.004.14

Е.А. Сафронов, Л.В. Симончик, М.С. Усачѐнок

СОЗДАНИЕ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОЛНОВОДНОГО СВЧФИЛЬТРА НА ОСНОВЕ НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО ТЛЕЮЩЕГО

РАЗРЯДА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Институт физики НАН Беларуси

Введение. Волноводные полосовые фильтры широко используются в приемо-передающих трактах радиотехнических систем [1]. В литературе и рекламных проспектах широко представлены различные варианты волноводных фильтров, работающих на фиксированной частоте. В связи с их активным применением ставятся задачи управления их характеристиками, упрощения способов их реализации и поиск новых материалов, служащих элементами фильтров. Перестройка и управление характеристиками (пропускание, поляризация и др.) СВЧ-фильтра осуществляется за счет изменения электрической длины резонаторов путем внесения дополнительных неоднородностей (механический способ) либо путем изменения электрических характеристик неоднородностей (электрический способ). Механическиперестраиваемые фильтры пока не получили широкого распространения из-за сложности своей механики, изменения параметров при перестройке и др.

Привлекательным представляется использование газоразрядной плазмы для управления характеристиками СВЧ-устройств. Это связанно с тем, что изменение тока в разряде приводит к изменению параметров плазмы. Диэлектрическая (электрическая) проницаемость плазмы имеет вид:

столкновений электронов с нейтральными частицами, nc – «критическая» концентрация, при которой частота поля равна плазменной частоте. Действительная часть диэлектрической (электрической) проницаемости имеет вид:

При концентрациях электронов, значительно меньших критической (n<<nc), плазма не оказывает влияния на распространение волн (ε≈1). При приближении концентрации к критической значение диэлектрической проницаемости плазмы стремится к нулю (ε→0), а при больших концентрациях электронов (n>>nc) - становиться отрицательной.

604

Для применения газоразрядной плазмы в качестве активного элемента волноводного фильтра необходимо, чтобы концентрация электронов в плазме разряда превышала критическую.

Целью данной работы является анализ возможности применения газоразрядной плазмы при атмосферном давлении в качестве управляющего элемента 10-см волноводного СВЧ-фильтра.

В модельном эксперименте была продемонстрирована возможность управления пропусканием четырехзвенного полосового волноводного 10-см СВЧ-фильтра с непосредственными связями с помощью газоразрядных ламп ГШ-5. Фильтр представлял собой волноводную секцию сечением 90×10 мм2 длиной около 30 см, в который перпендикулярно его широкой стенки были установлены 3 ряда металлических стержней (Ø 4 мм) по 5 штук в каждом ряду, причем расстояние между рядами L/4 и между стержнями L/2, где L=90 мм – ширина волновода.

Рисунок 1 –Фотография (а) и спектр пропускания четырехзвенного полосового волноводного 10-см СВЧ-фильтра с непосредственными связями (б)

Созданный фильтр был настроен таким образом, что пропускание в области частот 2,2 – 3 ГГц составляло -40 дБ. При удалении трех центральных стержней во втором ряду пропускание волноводной секции увеличивается на 30 дБ (до -10 дБ). Замена трех удаленных стержней газоразрядными лампами ГШ-5 позволила с помощью изменения тока в лампах от 0 до 100 мА изменить пропускание секции до -20 – -30 дБ в Даданном диапазоне частот (рисунок 1). Увеличение тока в лампах ГШ-5 от 30 до 120 мА согласно [2] соответствует изменению концентрации электронов от 0,3·1013 до 1,8·1013 см-3, что на 2 порядка больше критической концентрации электронов (0,5·1011 - 1·1011 см-3) для падающего СВЧ-излучения с частотой 2–3 ГГц. Для увеличения влияния плазмы на пропускание фильтра необходимо увеличить концентрацию электронов в плазме. Известно, что увеличение давления позволяет достичь больших концентраций электронов в газовом разряде.

605

Рисунок 2 - Зависимость концентрации электронов в положительном столбе ТРАД

от тока разряда [3]

В работе [3] показано, что в самостоятельном тлеющем разряде атмосферного давления (ТРАД) в атмосфере гелия, аргона и азота (рисунок 2) концентрация электронов может достигать величин порядка 1014 – 1015 см-3, что на 4 порядка превышает критическую концентрацию электронов для 10-см СВЧ-излучения. Трехэлектродная система [4] позволяет получать стабильные несамостоятельные ТРАД с контролируемыми параметрами. Концентрация электронов в положительном столбе данных разрядов имеет тот же порядок величины, что и в самостоятельных ТРАД [3]. С целью применения плазмы несамостоятельного ТРАД в качестве активного элемента СВЧ-фильтра 10-см диапазона частот была разработана система поджига несамостоятельного ТРАД в 10-см волноводе. На верхнюю широкую стенку 10-см волновода был установлен дополнительный объем, служащий разрядной секцией для поджига задающего самостоятельного тлеющего разряда атмосферного давления (ТРАД). В общей стенке между верхней секцией и волноводом выполнено отверстие (Ø 4 мм). Верхняя секция содержит трубку для подвода рабочего газа и подвижный латунный электрод (электрод 1), изолированный от волноводной секции (электрод 2) при помощи пластинки фторопласта. В нижней широкой стенке 10-см волновода также просверлено отверстие диаметром 10 мм, в которое вставлена фторопластовая прокладка с центральным отверстием диаметром 6 мм. Пластинка служит для изоляции волноводной секции от плоского латунного электрода (электрод 3), на который помещается волноводная конструкция (рисунок 3, а). Торцы волноводной секции открыты.

606

В верхней камере осуществлялся поджиг самостоятельного ТРАД в атмосфере гелия методом сведения подвижного 1 электрода с волноводной секцией. Между 1 и 2 электродами прикладывается напряжение от источника

Рисунок 3 – Схематическое изображение и схема подключения электродов установки для поджига несамостоятельного тлеющего разряда атмосферного давления в 10-см волноводе (а) и его фотография (б)

питания постоянного напряжения U1 с выходным напряжением до 600 В, сопротивление R1=650 Ом. Рабочий газ (гелий) при потоке порядка 1 литр/мин при атмосферном давлении поступает в верхнюю разрядную камеру через трубку подачи газа и выходит через отверстие в 10-см волноводе. Самостоятельный ТРАД в гелии служит плазменным катодом для несамостоятельного ТРАД в воздухе (рисунок 3, б), который зажигается в промежутке между водноводной секцией и электродом 3. Между 10-см волноводом и электродом 3 прикладывается напряжение от источника питания постоянного тока U2 с выходным напряжением до 2 кВ, сопротивление R2=1200 Ом. Конфигурация электродов 1-катод, 2-анод, 3-анод.

Выводы. В модельном эксперименте продемонстрирована возможность изменения пропускания волноводного СВЧ-фильтра на ~ 20 дБ с помощью газоразрядной плазмы ламп ГШ-5 (n≤1,8·1013 см-3). Для увеличения концентрации электронов предлагается использовать плазму несамостоятельных ТРАД в атмосфере аргона, где концентрация электронов достигает значения 1015 см-3, что превышает критическую концентрацию для падающего СВЧ-излучения 2 –3 ГГц на 4 порядка.

Работа выполнена при поддержке гранта БРФФИ № Ф11М-044.

Литературные источники

1.Маттей Д.Л. Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М: Связь, том 1, 1971, 439с., том 2, 1972, 496с.

2.Сафронов, Е.А. Периодическая структура с газоразрядной плазмой для управления СВЧ излучением 3-см диапазона / Е.А. Сафронов [и др.]// Сборник трудов Международной школы-конференции молодых ученых и специалистов "Современные проблемы физики - 2010", Минск, Беларусь, Июнь 9–11, 2010 г. / Институт физики НАН Б – Минск, 2010. - С. 354 – 358.

607

3.Plasma nonequilibrium in self-sustained normal DC atmospheric pressure glow discharges in noble and molecular gases/ V I Arkhipenko [et al.]// ISPC 19, Bochum, Germany, July 27-31, 2009. – P1.3.9

4.Atmospheric Pressure Air Glow Discharge in Three-electrode Configuration/ V.I. Arkhipenko [et al.]// IEEE Trans. Plasma Sci. – 2009. – Vol. 37, № 7. – P. 1297-1304.

Y.A. Safronau, L.V. Simonchik, M.S. Usachonak

FORMING OF MICROWAVE WAVEGUIDE FILTER ACTIVE ELEMENT BY MEANS OF NON-SELF-SUSTAINED ATMOSPHERIC PRESSURE GLOW DISCHARGE

B.I. Stepanov Institute of Physics, National Academy of Sciences, Minsk

Summary

The model experiment on control of microwave waveguide filter transmission using gas discharge plasma is performed in this paper. The possibilities of filter transmission changing up to 20 dB at discharge plasma electron density variation up to 1,8·1013 cm-3. For an increase of electron density the use of a non-self-sustained argon APGD plasma is proposed in which the value of electron density reaches 1015 cm-3 which is about 4 orders of magnitude higher than the critical electron density for incident microwave 2 - 3 GHz radiation.

608

УДК: 621.373.826

Н.Н. Тарасенко

ЛАЗЕРНЫЙ СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА В РАСТВОРАХ

Институт физики им. Б.И.Степанова НАН Беларуси

Введение. В последние годы большое внимание уделяется разработке способов получения наночастиц металлов, что связано с их уникальными электронными, оптическими и химическими свойствами. Материалы, содержащие такие наночастицы, являются многообещающими для ряда практических применений, включая микроэлектронику, нелинейную оптику, биологию, медицину, гетерогенный катализ, синтез новых композиционных материалов и т.д. Свойства наночастиц зависят от их размера и формы, поэтому конечной целью методов их синтеза является получение монодисперсных нанометрических частиц с заданными параметрами [1].

Основными методами получения наночастиц металлов являются химические, так как они просты и удобны в практическом отношении. При этом для стабилизации размеров и предотвращения агрегации растущих наночастиц используются различные вещества-стабилизаторы [2]. При надлежащей концентрации в растворе молекулы стабилизатора, окружая частицы, ограничивают их рост и предотвращают дальнейшую агрегацию.

Регулирование размеров и формы наночастиц может быть также достигнуто при облучении синтезируемых частиц лазерными импульсами достаточной интенсивности [1]. Процессы взаимодействия лазерного излучения с наноразмерными структурами активно исследуются в последнее время. Установлен эффект смещения функции распределения наночастиц по размерам в сторону меньших значений под действием лазерного излучения. Следует отметить, что результат модификации частицы в поле лазерного излучения управляется совокупностью взаимосвязанных процессов взаимодействия лазерного излучения с частицей и релаксации возмущения в процессе взаимодействия с окружающей средой. Поэтому для целенаправленного изменения морфологии и структуры наночастицы важно установить вклад различных механизмов, стимулирующих процессы агрегации и декомпозиции частиц, в частности, за счет их испарения в результате нагрева и кулоновского разрыва вследствие приобретения заряда.

Целью настоящей работы является выяснение влияния лазерного излучения УФ и видимого диапазона спектра на морфологию наноразмерных частиц серебра в золях, содержащих в качестве стабилизаторов комплексоны (карбоксилированные амины) и разработка на этой основе методики лазерного синтеза стабильных золей серебра в растворах.

Методика эксперимента и методы исследования. В качестве комплексона-стабилизатора была выбрана диэтилентриаминпентауксусная кислота (ДТПА), имеющая следующую структуру:

609

ДТПА - диэтилентриаминпентауксусная кислота

Для получения золей сначала при комнатной температуре быстро смешивали 0.008 M раствор ДТПА и 0.075 М NaOH, а затем быстро добавляли к полученному раствору 0.1 М AgNO3, количество которого рассчитывали с учетом соотношения комплексон:серебро=1:1.475. Полученный раствор имеет красноватый оттенок. После смешивания отбирали по 3 мл раствора и облучали в течение 5 и 10 мин излучением 2-й гармоники алюмо-иттриевого лазера с энергией импульса 90 мДж (длина волны 532 нм, частота повторения импульсов 10 Гц, плотность энергии J=450 мДж/см2). Концентрация серебра в полученном золе составляла 1.1·10-3 моль/л.

Свойства исходных растворов и полученных золей исследовались методами оптической спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Оптические спектры поглощения снимали на двухлучевом спектрофотометре ―Cary 500‖ в диапазоне длин волн 200-800 нм. Приготовленные растворы помещали в кварцевую кювету, толщина которой составляла 2 мм.

Размер и форму частиц в золях определяли методом просвечивающей электронной микроскопии. Просмотр образцов осуществляли на просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-125К с увеличением 40 000. Препарирование золей проводили путем нанесения золя на медные сеточки, покрытые коллодиевой пленкой. Для получения коллодиевой пленки применяли 1%-ный раствор коллодия в амилацетате.

Результаты исследования и их обсуждение. Спектроскопические исследования золей показали, что в оптическом спектре исходной смеси практически отсутствует полоса поглощения с максимумом в области 400-420 нм, что свидетельствует о том, что после смешивания исходных компонентов реакция образования наночастиц серебра протекает в незначительной степени и концентрация наночастиц на начальной стадии мала. Однако после лазерного облучения в течение 5 минут раствор приобретает соломенно-желтый цвет, а в спектре поглощения проявляется интенсивная полоса плазмонного поглощения с max=404 нм, что указывает на формирование наночастиц серебра с узким распределением частиц по размерам (рисунок 1). Эти результаты подтверждают и микроскопические исследования полученных золей (рисунок 2). На микрофотографиях видно, что формируются круглые наночастицы серебра размером 8 нм.

При увеличении времени воздействия интенсивность полосы поглощения возрастает, что свидетельствует о том, что за большее время облучения процесс восстановления ионов серебра в растворе происходит более полно. Кроме того, увеличение времени облучения приводит к смещению полосы поглощения в

610