Релаксация электретного состояния в полимерных волокнитах на основе полиэтилена

• Автор: Кужельная, Оксана Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Глава 1. Полиэтилен как полимерный электрет. Особенности волокнистых полимерных материалов на основе полиэтилена

§1.1. Молекулярное строение и диэлектрические свойства полимеров

§1.2. Молекулярное строение и основные свойства полиэтилена

§1.3. Волокнистые полимерные материалы на основе полиэтилена

Выводы к главе 1

Глава 2. Теория и методы термоактивационной спектроскопии

§2.1 Суть, основы теории и экспериментальная техника термостимулированной люминесценции полимеров

§2.2. Изотермическая спектральная люминесценция

§2.3. Термостимулированная релаксация потенциала

Выводы к главе 2

Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение

§3.1 Термостимулированная люминесценция
§3.2 Термостимулированная деполяризация и термостимулированная релаксация потенциала
§3.3 Спектральная изотермическая люминесценция
Выводы к главе 3
Заключение
Список литературы

До недавнего времени научные интересы исследователей электрофизических свойств полимеров концентрировались, в основном, на изучение процессов формирования и релаксации гомозаряда и поляризации в тонких (10 -20 мкм) пленках. Повышенное внимание к тонкопленочным полимерным диэлектрикам было продиктовано тем, что именно в таких объектах наиболее ярко проявляются электретные [1-4], пьезо- [5], пиро- [6] и нелинейные оптические эффекты [7]. Кроме того, в большинстве из известных технических приложений поляризованные полимерные материалы использовались в виде тонких пленок [2, 8], что также, несомненно, стимулировало исследования электрофизических процессов, развивающихся именно в тонкопленочных структурах.
Вместе с тем в последнее время стали активно разрабатываться технические устройства, конструкция которых предполагает использование относительно новых волокнистых полимерных материалов получаемых путем экструзии расплава полимера потоком сжатого газа. [9,10]. Волокниты оказались востребованы в технике фильтрации различных сред [11], в строительстве и медицине [12] и др. Это стало возможным благодаря уникальным физико-механическим свойствам, развитой поверхности и специфической структуре полимерных волокнитов, связанных с технологией получения образцов и оказывающих значительное влияние на их эксплутационные характеристики. Поэтому, изучение электрофизических свойств и, в частности, исследование механизмов релаксации неравновесного заряда и поляризации в волокнистых полимерах становится актуальной задачей, прикладная значимость которой очевидна. При этом следует подчеркнуть, что выявление природы поляризационных эффектов, а также процессов накопления и транспорта избыточного заряда в таком широком и одновременно относительно новом классе неупорядоченных систем, как волокнистые полимеры, представляет
собой одну из важнейших фундаментальных проблем современной электрофизики конденсированных сред.
Как известно активные диэлектрические свойства полимеров наиболее ярко проявляются после формирования в них электретного состояния. Более того, технические характеристики изделий на основе волокнистых полимеров, их температурная стабильность определяются процессами накопления и релаксации заряда в полимерных волокнитах. Поэтому исследование природы электретного состояния необходимо для понимания процессов, происходящих в таких материалах, и получения возможности прогнозирования и целенаправленного изменения их функциональных свойств путем изменения различных параметров в процессе их изготовления.
Электретный эффект в пленках на основе полиэтилена изучен достаточно хорошо, в то время как исследованию электретного эффекта в волокнитах на основе полиэтилена посвящен ряд работ, но как показывает анализ материалов имеющиеся данные оказываются зачастую противоречивыми и трудно сопоставимыми.
В связи с выше сказанным возникла необходимость проведения комплексного исследования формирования и релаксации электретного состояния в данном материале.
Целью данной работы являлось определение природы физических процессов в электретных структурах на основе волокнистого полиэтилена высокого давления (ПЭВД), а также разработка физической модели формирования и релаксации электретного состояния в данном материале.
Объектом исследования в данной работе являлись полимерные волокнистые материалы на основе полиэтилена, используемые в технике фильтрации воздушных сред, строительстве и медицине и др.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
• исследование электретного эффекта в волокнистых полимерных структурах в рамках комплексного подхода, включающего в себя ряд совре-
§2.2. Изотермическая спектральная люминесценция
Информация, получаемая с помощью метода термостимулированной люминесценции, о характерных особенностях центров захвата и рекомбинации носителей заряда в образце может быть существенно дополнена путем измерения спектрального состава излучаемого света.
В общем случае у твердых тел различают три вида люминесценции: мономолекулярную, метастабильную и рекомбинационную.
Мономолекулярное и метастабильное излучение твердых тел имеет место в том случае, когда поглощение и излучение света происходят внутри примесного центра.
Спектры люминесценции твердых тел, т.е. зависимость интенсивности свечения от энергии излученного фотона или длины волны, отличаются от соответствующих спектров изолированных атомов примеси двумя основными чертами. Во-первых, излучение твердых тел наблюдается обычно в виде широких полос, и, во-вторых, их спектр люминесценции, как правило, смещен в длинноволновом направлении по сравнению со спектром поглощения, т.е. излучаемая энергия меньше, чем поглощаемая. Эти особенности оптических свойств твердых тел обязаны своим происхождением взаимодействию центра свечения с полем кристаллической решетки. При взаимодействии центра с ближайшим окружением его потенциальная энергия складывается из кулоновского притяжения, обменного взаимодействия и ван-дер-ваальсовского притяжения. В результате этих сил взаимодействия атомные уровни примеси основного и возбужденного состояний будут квазимолеку-лярными.
При такой ситуации возможно поглощение света примесным центром, в результате которого электрон с основного уровня перейдет на возбужденный. Самопроизвольный обратный переход электрона с возбужденного уровня центра на основной будет сопровождаться излучением. Если учесть заселенность колебательных уровней электронами в основном и возбужденном состояниях, то совокупность соответствующих фотонов образует полосы