Принципы воздействия тепла, влаги и ультрафиолетового излучения на полимерные материалы и исследование их свойств методом факторного эксперимента. Обзор

Работа посвящена принципам воздействия климатических факторов на полиэтилентерефталат (ПЭТФ) с точки зрения изменения структуры и взаимодействия молекул полимера. Разработана кинетическая концепция прочности ПЭТФ, а также факторы, влияющие на прочность. Исследована структура ПЭТФ и влияние на нее влажности, термоокислительной деструкции, УФ-излучения. Рассмотрены вопросы прогнозирования свойств полимеров, долговечности и их компьютерного моделирования. Методами полного факторного эксперимента построена модель изменения свойств ПЭТФ при воздействии температуры, влаги и УФ-излучения. Показано, что в начальный период воздействия происходит адсорбция и диффузия влаги – гидролиз и окисление поверхности, при длительном и постоянном воздействии УФ-излучения происходит сначала разрыв образованных влагой связей, затем разрыв С–С и С–О связей в молекуле ПЭТФ и образование новых межмолекулярных связей. При аморфном состоянии ПЭТФ равновероятен разрыв связей в цепи полимера и образование связей между двумя рядом стоящими цепями полимера, образование более плотно упакованных узлов, образование разрывов между узлами, т. е. деструкция полимера и его старение. Температура оказывает вторичное действие, облегчающее как гидролиз и окисление, так и деструкцию полимера.

1. Каблов Е. Н., Старцев О. В., Медведев И. М. Коррозионная активность морской атмосферы. Часть 2. Новые подходы к оценке коррозионной активности прибрежных атмосфер // Коррозия: материалы, защита. – 2016. – № 1. – С. 1–15.

2. Курс М. Г., Николаев Е. В., Абрамов Д. В. Натурные ускоренные испытания металлических и неметаллических материалов: ключевые факторы и специализированные стенды // Авиационные материалы и технологии. – 2019. – № 1. – С. 66–73. DOI: 10.18577/2071-9140-2019-0-1-66-73.

3. Каблов Е. Н. Инновационное развитие ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № 1 (34) . – С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-01-3-33.

4. Jambeck J. R., Geyer R., Wilcox C., Siegler T. R., Perryman M., Andrady A., Narayan R., Law K. L. Plastic waste inputs from land into the ocean // Science. – 2015. – V. 347, Is. 6223. – P. 768–771, https://science.sciencemag.org/content/347/6223/768

5. Каблов Е. Н., Старцев В. О. Климатическое старение полимерных композиционных материалов авиационного назначения. 1: Оценка влияния значимых факторов воздействия // Деформация и разрушение материалов. – 2019. – № 12. – С. 7–16.

6. Каблов Е. Н., Ерасов В. С., Панин С. В., Курс М. Г., Гладких А. В., Автаев В. В., Сорокина Н. И., Лукьянычев Д. А. Исследование совместного влияния механических нагрузок и климатических факторов на свойства материалов в составе крупногабаритной конструкции экспериментального отсека крыла после 4 лет испытаний // Докл. II междунар. науч.-технич. конф. «Коррозия, старение и биостойкость материалов в морском климате». – М.: ФГУП «ВИАМ», 2016. – С.6.

7. Каблов Е. Н., Старцев В. О. Климатическое старение полимерных композиционных материалов авиационного назначения. II. Развитие методов исследования ранних стадий старения // Деформация и разрушение материалов. – 2020. – № 1. – С. 15–21.

8. Лаптев А. Б., Николаев Е. В., Куршев Е. В., Горяшник Ю. С. Особенности биодеструкции термопластов на основе полиэфиров в различных климатических зонах // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. – 2019. – №7. Ст.10. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 09.10.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-7-84-91

9. Симионеску К., Опреа К.; Механохимия высокомолекулярных соединений // Пер. с румынского И. Б. Берсукера и Н. И. Беличука / Под ред. Н. К. Барамбойма. – М.: Мир, 1970. – 357 с.

10. Ангерт Л. Г.Состояние и перспективы исследований в области защиты резин от старения // Каучук и резина. – 1974. – № 8. – С. 22–26.

11. Лаптев А. Б., Голубев А. В., Киреев Д. М., Николаев Е. В. К вопросу биодеструкции полимерных материалов в природных средах (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2019. – № 9. Ст.11. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 09.10.2020). DOI 10.18577/23076046-2019-0-9-100-107.

12. Каблов Е. Н., Старцев В. О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) // Авиационные материалы и технологии. – 2018. – № 2. С. 47–58. DOI: 10.18577/2071-91402018-0-2-47-58.

13. Журков С. Н., Нарзуллаев Б. Н. Временная зависимость прочности твердых тел // ЖТФ. – 1953. – Т. 23, вып.10. – С.1677–1680.

14. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твёрдых тел. – М.: Наука, 1974. – 560 с.

15. Ярцев В. П. Физико-технические основы работоспособности органических материалов в деталях и конструкциях // Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. – Воронеж, 1998.

16. Ратнер С. Б., Ярцев В. П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? – М.: Химия, 1992. – 320 с.

17. Журков С. Н., Бронько С. Б., Чмель А. Термофлуктуационная природа лучевой прочности прозрачных диэлектриков // Физика твердого тела. – 1980. – Т. 24, вып. 3. – С. 733–739.

18. Тагер А. А. Физико-химия полимеров: Учебн. пособ., Изд. 2-е. – М.: Химия, 1968. – 536 с.

19. Баранов М. В., Шатров А. К. Проблемы прочности: кинетическая концепция прочности, относительность и неопределенность // Исследования наукограда. – 2012. – № 2 (2). – С. 3–10.

20. Гуль В. Е. Структура и прочность полимеров: Книга для хим.-техн. спец. вузов. Изд. 3-е. – М.: Химия, 1978. – 328 с.

21. Воробьева Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств: Справочное пособие. Изд. 3-е. – М.: Химия, 1975. – 816 с.

22. Кутьинов В. Ф., Киреев В. А., Старцев О. В., Шевалдин В. Н. Влияние климатического старения на характеристики упругости и прочности полимерных композитных материалов // Ученые записки ЦАГИ. – 2006. – № 4. – С. 54–64.

23. Елизаветин М. А. Повышение надежности машин: Книга для инж.-техн. спец. вузов. Изд. 2-е. – М.: Машиностроение, 1973. – 430 с.

24. Большаков В. А., Алексашин В. М. Повышение остаточной прочности при сжатии после низкоскоростного удара углепластиков, изготовляемых инфузионным методом формования // Авиационные материалы и технологии. – 2013. – № 4. – С. 47–51.

25. Роуленд С. Вода в полимерах. – М.: Мир, 1984. – 555 с.

26. Чулкова Ю. С. Закономерности равновесной сорбции паров воды и органических растворителей аморфно-кристаллическими полимерами // Автореф. дис. ... канд. хим. наук: 02.00.04. – СПб. гос. ун-т технологии и дизайна, 2010. – 16 с.

27. Сажин Б. С., Дмитриева Л. Б., Сажин В. Б. Сорбционная способность и влияние сорбируемой влаги на структуру полиэтилентерефталата // Успехи в химии и химической технологии. – 2008. – Т. 22, № 4 (84). – С. 116–118.

28. Helseth E. The Influence of Microscale Surface Roughness on Water-Droplet Contact Electrification Langmuir. – 2019. – V. 35, N 25. – P. 8268–827.

29. Mielonen K., Jiang Y., Voyer J., Diem A., Hillman L., Suvanto M., Pakkanen T. A. Sliding friction of hierarchically micro-micro textured polymer surfaces on ice Cold Regions // Science and Technology. – 2019. – V. 163. – P. 8–18.

30. Семенов Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. – М.: Изд-во АН СССР, 1958. – 354 с.

31. Лаптев А. Б., Николаев Е. В., Колпачков Е. Д. Термодинамические характеристики старения полимерных композиционных материалов в условиях реальной эксплуатации // Авиационные материалы и технологии. – 2018. – № 3. – С. 80–88. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-80-88.

32. Основы физики и химии полимеров / Под ред. В. Н. Кулезнева. – М.: Высшая школа, 1977. – 248 с.

33. Нестеров С. В., Бакиров И. Н., Самуилов Я. Д. Термическая и термоокислительная деструкция полиуретанов // Вестник Казанского технологического университета. – 2011. – № 10–22.

34. Королев В. Л., Пивина Т. С., Поролло А. А., Петухова Т. В., Шереметев А. Б., Ившин В. П. Дифференциация молекулярного строения нитросоединений как основа моделирования процессов их термодеструкции // Успехи химии. – 2009. – V. 78, N 10. – С. 1022–1047.

35. Фойгт И. Стабилизация синтетических полимеров против света и тепла. – Л.: Химия, 1972. – 544 с.

36. Manceau M., Chambon S., Rivaton A., Gardette J.-L., Guillerez S., Lemaître N. Effects of long-term UV-visible light irradiation in the absence of oxygen on P3HT and P3HT // PCBM blend. – 2010. – V. 94, Is. 10. – P. 1572–1577.

37. Исламов Ф. Х. Фото- и фотомеханическая деструкция полимеров с различной локализаци-ей хромофоров в цепи // Автореф. дис. … Кандидат технических наук. – Казань: КХТУ, 2009. – 24 с.

38. Xiao L., Zhao Y., Jin B., Zhang Q., Chai Z., Peng R. Synthesis of novel ultraviolet stabilizers based on [60] fullerene and their effects on photo-oxidative degradation of polystyrene // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. – 2019. – V. 28, N 6.

39. Корецкая Л. С., Александрова Т. И., Русов В. П., Ухарцева И. Ю. Метод прогнозирования свойств полимерных материалов в условиях воздействия факторов внешней среды // Потребительская кооперация. – 2011. – № 3 (34) . – С. 69–74.

40. Квачадзе Н. Г., Томашевский Э. Е., Жиженков В. В. Энергетика механического раз-рушения срединных радикалов // Физика твердого тела. – 2015. – Т. 57, вып. 11. – С. 2186–2189.

41. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.: Наука. – 1976. – 279 с.