Воздействие ультразвука и импульсного магнитного поля на высокомолекулярный биокомпозит тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Кальченко, Сергей Владимирович

• Кальченко, Сергей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кальченко, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I

ВОЗДЕЙСТВИЕ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИАМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ (Аналитический обзор)

1.1 Механические свойства магнитных материалов после воздействия слабых импульсных магнитных полей.

1.2. Магнитопластический эффект в диамагнитных кристаллах.

1.3. Физические свойства полимеров после магнитной обработки.

ГЛАВА II

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Методика измерения твердости образцов модифицированной древесины.

2.2. Методика измерения адсорбции образцов модифицированной древесины.

2.3. Техника измерения ИК-спектров образцов модифицированной древесины.

2.4. Генератор импульсных магнитных полей.

2.5. Аттестация образцов.

ГЛАВА III

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

3.1. Строение и состав древесины.

3.2. Ультразвуковая пластификация древесины.

3.3 Модель уплотнения макромолекул целлюлозы в модифицированной древесине.

3.4. Релаксационные процессы в модифицированной древесине.

ГЛАВА IV

МОДИФИЦИРОВАНИЕ СВОЙСТВ УПЛОТНЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ВОЗДЕЙСТВИЕМ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

4Л. Твердость образцов уплотненной древесины после воздействия слабых импульсных магнитных полей.

4.2. Сорбционные свойства образцов модифицированной древесины после воздействия импульсного магнитного поля.

4.3. ИК-спектры образцов модифицированной древесины до и после воздействия импульсного магнитного поля.

4.4. Об образовании связи С-О-С между макромолекулами целлюлозы в образцах модифицированной древесины после ИМП- воздействия.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Воздействие ультразвука и импульсного магнитного поля на высокомолекулярный биокомпозит»

Актуальность темы.

Интенсивные исследования последних десятилетий показали возможность модифицирования свойств диамагнитных материалов, в частности, высокомолекулярных полимеров воздействием слабых (до 1 Тл) магнитных полей (МП). Повышенный интерес к таким исследованиям связан с тем, что обнаруженные эффекты подобного воздействия не находят объяснения с точки зрения-классической термодинамики. Действительно, энергия ¡.ЛъВ (]Лв — магнетон Бора, В—индукция магнитного поля) МП с В ~ 1 Тл на несколько порядков величины меньше тепловой энергии ^диамагнитного материала (к — постоянная Больцмана^ Т— абсолютная температура) для температур, при: которых обычно выполнялся эксперимент, поэтому «силовой вариант» воздействия МП на. материал , исключался. Было обнаружено влияние постоянного МП на механические свойства и кинетику деформации таких полимеров как полиметилметакрилат (ПММА), полиоксиэтилен (ПОМ), поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен (ПЭ) и другие линейные полимеры [1-3]. Эти результаты объяснялись ориентационными эффектами, обусловленными анизотропией диамагнитной восприимчивости полимерных цепей, а также наличием внутренних магнитных полей, локализованных в малых упорядоченных областях полимера с нехимическим взаимодействием между молекулярными группами соседних полимерных цепей. Значительно более эффективным по сравнению с постоянным МП оказывается воздействие на механические свойства полимеров импульсных магнитных полей (ИМП), что связывается с наличием у них электрической компоненты [4], оказывающей дополнительное влияние на полярные боковые группы линейных молекул полимера. Кроме того, ИМП могут инициировать сшивание полимерных цепей по реакции спинзависимых радикальных пар [5]. При этом большая эффективность воздействия ИМП считается следствием неизбежного разброса межрадикальных расстояний в боковых группах полимера. Изменение магнитной индукции от нуля до амплитудного значения при воздействии ИМП обеспечивает достижение условия резонанса (например, квазипересечения термов и Т.,, при которых возможно их перезаселение) для любого межрадикального расстояния. Тот же резонанс состояний £ и Т. в постоянном МП возникает в единственной точке при напряженности МП, обеспечивающей равенство зееманов-ского расщепления обменной энергии радикальной пары при данном расстоянии между радикалами.

В этой связи представляет интерес исследование воздействия слабых ИМП на сложные полимерные системы, макромолекулы которых содержат радикалы, способные во внешнем МП' изменять свое спиновое состояние и тем самым стимулировать протекание радикальных реакций, запрещенных по спину в исходном состоянии. Логично ожидать, что неизбежное изменение микроструктуры полимера после протекания подобных реакций должно привести к модификации его физических (в частности, механических) свойств.

В предлагаемой работе в качестве объекта исследования выбран типичный высокомолекулярный биокомпозит — модифицированная древесина. Благодаря своим необычным механическим свойствам этот весьма сложный по своему составу природный полимер применяется в промышленности в качестве заменителя целого ряда конструкционных материалов. Основными преимуществами древесины (по сравнению с другими конструкционными материалами), являются постоянное возобновление ее запасов, малая теплопроводность и электропроводность, биологическая совместимость, химическая стойкость и, наконец, весьма легкая обрабатываемость.

С целью улучшения физико-механических свойств древесину подвергают обычно различным технологическим воздействиям, то есть модифицируют. В работе проводилось исследование воздействия ультразвука и импульсного магнитного поля на образцы древесины березы.

Цель и задачи исследования.

Целью работы является установление основных закономерностей воздействия ультразвука и импульсного магнитного поля на формирование высокопрочного полимерного биокомпозита - модифицированной древесины.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

• Исследовать влияние ультразвука на пластифицирование древесины.

• Разработать модель упрочнения древесины в результате трехстороннего уплотнения.

• Исследовать влияние воздействия ИМП на упрочнение образцов модифицированной древесины.

• Исследовать влияние ИМП-воздействия на адсорбционные свойства модифицированной древесины.

• Разработать схему образования новых химических связей между макромолекулами целлюлозы после воздействия на образцы модифицированной древесины слабых ИМП.

Научная новизна.

1) Дана оценка параметров ультразвукового воздействия для пластификации лигнина и последующего оптимального (с минимальной степенью разрушения древесных волокон) трехстороннего уплотнения образцов древесины.

2) Обнаружено необратимое упрочнение образцов модифицированной древесины березы (пластифицированной ультразвуком) после воздействия ИМП с амплитудой В<0.5 Тл. Показано, что эффект имеет объемный характер.

3) Обнаружено уменьшение до 25% адсорбции воды на поперечных срезах модифицированной древесины после ИМП — воздействия.

4) Показано (на основании исследований образцов методом ИК-спектроскопии), что в результате ИМП - воздействия в образцах модифицированной древесины возможно образование химических связей типа С—О—С между боковыми группами макромолекул целлюлозы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Воздействие ультразвука позволяет перевести лигнин древесины из стеклообразного в вязкотекучее состояние.

2. Кратковременное воздействие слабого (В<0.5 Тл) ИМП приводит к необратимому возрастанию торцевой твердости (до 50%) образцов модифицированной древесины, пластификация которых осуществляется воздействием ультразвука. Эффект имеет объемный характер.

3. В результате воздействия ИМП между макромолекулами целлюлозы в образцах модифицированной древесины возможно образование новых химических связей С-О-С.

Практическая значимость.

• Подшипники скольжения, изготовленные из модифицированной древесины, нашли свое применение в самых разнообразных отраслях промышленности. Упрочнение образцов позволяет значительно увеличить срок годности таких изделий.

• Использование ультразвука для пластифицирования лигнина дает возможность проводить успешное модифицирование образцов древесины без предварительной обработки их токсичным аммиаком.

• Применение аппарата физики полимеров для описания свойств древесины дает возможность теоретически анализировать изменения микроструктуры материала при различных способах его обработки. Например, анализ скорости нарастания вязкости пластифицированного лигнина в процессе трехстороннего уплотнения образца древесины позволит прогнозировать режимы обработки образцов различных пород, что будет способствовать повышению качества модифицированного материала.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на нижеперечисленных конференциях и семинарах: III и V Международных научно-технических школах-конференциях «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, МИ-РЭА, 2006, 2008); XI Международной конференции «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург. 2008); VI, VII и VIII Международных научно-технических конференциях «Фундаментальные проблемы' радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic - 2008, 2009, 2010) (Москва, МИРЭА, 2008, 2009. 2010); VI Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, ВГТУ,

2009); Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, ВГЛТА,

2010); V Международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция - 2010» (Санкт-Петербург. 2010); XXII Международной научной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, ВГТУ, 2010).

Публикации. Личный вклад автора.

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Все основные экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены самим автором либо при его непосредственном участии. Кроме того, автор принимал участие в анализе и обобщении результатов, разработке качественной модели и анализе воздействия слабых ИМП на надмолекулярную структуру модифицированной древесины.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и списка литературы из 188 наименований. Объем диссертации составляет 120 страниц машинописного текста, включая 38 рисунков и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Кальченко, Сергей Владимирович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Установлено, что воздействие ультразвукового поля потоком мощности л

25-30 Вт/см приводит к пластификации образцов древесины, достаточной для последующего оптимального (с минимальной степенью разрушения древесных волокон) их-уплотнения. Этот результат дает возможность утверждать, что воздействие ультразвука переводит лигнин образцов из стеклообразного в вязкотекучее состояние.

Обнаружено необратимое увеличение (до 50% и больше) торцевой твердости образцов МД (пластифицированных ультразвуком) после кратковременного (30 с) воздействия слабых (0.2 - 0.5 Тл) ИМП. Эффект имеет объемный характер.

Обнаружено 20-25% - ное уменьшение адсорбции паров воды поверхностью обработанных ИМП образцов, МД. Эффект связывается с возможностью образования в результате ИМП — воздействия новых связей между боковыми группами макромолекул целлюлозы в образцах. Установлено (по изменениям ИК-спектров ИМП - обработанных образцов МД), что в результате воздействия ИМП между макромолекулами целлюлозы в образцах МД возможно образование новых химических связей типа С-О-С.

Предложена качественная модель, согласно которой вещество древесины можно представить в виде полуразбавленного раствора стержнеоб-разной целлюлозы в вязкотекучем лигнине. Модель дает возможность оценить удельное давление частично деструктурированного в процессе пластификации лигнина, а также оценить среднее смещение макромолекул целлюлозы в процессе уплотнения древесины.

Предложена схема, поясняющая механизм образования радикальных пар типа С-О в ограниченном переплетенными макромолекулами целлюлозы пространстве (эффект «клетки») после пластификации, последующего уплотнения и ИМП - обработки образцов МД. Дана оценка вероятности рекомбинации таких радикальных пар с образованием химической связи типа С-О-С и ее зависимость от величины индукции магнитного поля.

99