Полимеры в повседневной жизни окружают нас везде. Простейшим примером полимеров является пластмасса, целлофан, клей, резина. Но это ещё не всё, так, например, наружный скелет всех членистоногих, самых распространённых представителей животного царства, состоит из полимера Хитин.
Используя полимеры, можно создавать полимерные композитные материалы (ПКМ), которые включают в себя полезные свойства своих компонентов [1, 6, 7, 9, 13, 27]. Существует ряд преимуществ ПКМ над традиционными видами материалов (металлов, керамики, дерева и т.п.) [2, 8, 24, 25].
Свойствами полимерных композитов можно управлять, изменяя их состав и условия получения, так, например, можно просто увеличивать или уменьшать долю наполнителя полимерного композита [5, 11, 21–23, 30–32].
Полимерные композиты имеют большой потенциал в космонавтике. Они легки в изготовлении, снижают вес космического аппарата, что в свою очередь снижает стоимость доставки на орбиту и повышает срок использования аппарата. Из полимерных композитов изготавливают некоторые детали космических аппаратов, например детали обшивки ракетоносителя, каркасы для солнечных батарей, панели терморегулирования. Также полимерные композиты не уступают, а иногда и превосходят по своим свойствам традиционные материалы, используемые в космонавтике [14, 20].
Для панелей терморегулирования космических аппаратов очень важна поверхность, от которой сильно зависят их функциональные свойства. Известно, что в космосе действует ряд негативных факторов, которые приводят к деструкции поверхности полимеров и композитов на их основе – это и вакуумный ультрафиолет, и атомарный кислород, и электронное облучение, и др. [3, 4, 10, 12, 15, 17–19, 26, 28, 29]. Для отражательной способности терморегулирующих покрытий важна гладкая поверхность. Чем меньше будет шероховатость поверхности, тем лучше будут отражательные свойства материала.
В данной работе представлены данные по обработке полимерных материалов вакуумным ультрафиолетом с целью выявления сглаживания их поверхности.
Цель исследования
Изучить возможность обработки вакуумным ультрафиолетом полимерных материалов с целью сглаживания шероховатости их поверхности.
Материалы и методы исследования
В качестве полимерных материалов использовали полимерные композиты, полученные на основе полистирола и кремнийорганического наполнителя – метилполисилоксана. Синтез композитов описан в [16].
Облучение вакуумным ультрафиолетом проводилось в специализированной установке для технологических и специальных испытаний образцов из полимеркомпозитов в условиях, приближенных к околоземному космическому пространству.
Эта установка позволяет произвести испытания в условиях космического пространства. Среди этих условий – воздействие ультрафиолета в вакууме, космическая радиация и воздействие перепадов температур. Длина волны вакуумного ультрафиолета составляла от 90 до 115 нм, температура облучения – 20 °С, а общее время облучения – 24 часа.
Результаты исследования и их обсуждение
Для выяснения специфики деградации поверхностного слоя композитов под влиянием вакуумного ультрафиолетового излучения была исследована морфология композитов до и после воздействия методов сканирующей зондовой микроскопией (атомно-силовой метод). Использование данного метода позволит изучить химический состав и структуру поверхности, получить изображения поверхности с атомарным разрешением, манипулировать атомами на поверхности и изучать процессы, происходящие под воздействием вакуумного ультрафиолета, протекающие на поверхности.
На рис. 1, а, б представлены АСМ-изображения поверхности композита до и после обработки вакуумным ультрафиолетом, полученные с помощью зондовой микроскопии. Представлены изображения поверхности композита с 65 % содержанием наполнителя. Анализ параметров шероховатости поверхности проводился на площади 5×5 мкм.
Сравнение двумерной модели рельефа поверхности композита до и после облучения вакуумным ультрафиолетом (рис. 1) указывает на изменение структуры поверхностного слоя композитов в нанодиапазоне. Облучение композитов приводит к уменьшению шероховатости поверхностного слоя, не затрагивая более глубокие слои материала.
Изменение высоты нанорельефа поверхности указывает на протекание процессов травления поверхностного слоя. На поверхности исходного композита установлено образование более рельефных остроконечных структур (рис. 1, а) в сравнении с более гладкими образованиями, наблюдаемыми у композита после облучения (рис. 1, б).
а б
Рис. 1. Двумерная модель рельефа поверхности композита до облучения (а) и после облучения вакуумным ультрафиолетом (б)
Также авторами вычислены значения основных статистических параметров поверхности полистирольного композита по данным зондовой микроскопии, таких как максимум (max); минимум (min); 10 точек по высоте (Sz), средняя шероховатость (Sa) и среднеквадратичная шероховатость (Sq), которые также численно подтверждают, что вакуумный ультрафиолет приводит к сглаживанию рельефа поверхности.
Рис. 2. Значения Sz, Sа, Sq поверхности композита до и после обработки вакуумным ультрафиолетом
Заключение
В ходе проведенных исследований были изучены свойства полимерного композита на основе полистирола и кремнийорганического наполнителя – метилполисилоксана. Его поверхность была подвергнута обработке вакуумным ультрафиолетом. Облучение вакуумным ультрафиолетом проводилось в специализированной установке для технологических и специальных испытаний образцов из полимеркомпозитов. Длина волны вакуумного ультрафиолета составляла от 90 до 115 нм, температура облучения – 20 °С, а общее время облучения – 24 часа.
Для выяснения специфики деградации поверхностного слоя композитов под влиянием вакуумного ультрафиолетового излучения была исследована морфология композитов до и после воздействия методов сканирующей зондовой микроскопией (атомно-силовой метод).
Доказано, что облучение композитов приводит к уменьшению шероховатости поверхностного слоя, не затрагивая более глубокие слои материала. Также авторами были вычислены значения основных статистических параметров поверхности полистирольного композита по данным зондовой микроскопии, такие как максимум (max); минимум (min); 10 точек по высоте (Sz), средняя шероховатость (Sa) и среднеквадратичная шероховатость (Sq), которые также численно подтверждают, что вакуумный ультрафиолет приводит с сглаживанию рельефа поверхности.
Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.