ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2014, том 48, № 1, с. 3—6
PАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ
УДК 551.5:539.104
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЕНОК, ЭКСПОНИРОВАННЫХ НА КОСМИЧЕСКОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ "МИР" © 2014 г. В. К. Милинчук, Э. Р. Клиншпонт, О. А. Ананьева, О. Ф. Пасевич
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" — филиал Обнинский институт атомной энергетики 249030, Калужская обл., Обнинск, ул. Студгородок, 1 E-mail: milinchuk@iate.obninsk.ru Поступила в редакцию 09.04.2013 г. В окончательном виде 11.07.2013 г.
Полиимидные пленки при экспонировании на орбитальной станции "Мир" под кварцевыми пластинами, защищающими от бомбардировки атомарным кислородом с энергией ~5 эВ и пропускающими солнечное излучение с X > 200 нм, сохраняются без изменения. Пленки претерпевают значительную деградацию при одновременном воздействии атомарного кислорода и солнечного излучения. Большая потеря массы и механическое разрушение односторонне алюминированных полиимидных пленок обусловлены участием алюминиевого покрытия в процессе деструкции поли-имида. Ускоренную деградацию композиции алюминий—полиимид можно объяснить механизмом фотоэффекта, акцептированием эмитированных алюминием фотоэлектронов имидными и бензольными группами, образованием светочувствительных центров и их фотохимическими превращениями.
Б01: 10.7868/80023119714010104
На низких земных орбитах (НЗО) полимерные материалы космических аппаратов (КА) подвергаются комплексному воздействию многочисленных факторов космического пространства (ФКП), вклад которых в их деградацию носит аддитивный или неаддитивный (синергетический) характер. Так, нет единого мнения о характере деградации полимерных материалов при одновременном воздействии таких основных ФКП как атомарный кислород и электромагнитное излучение Солнца [1]. Для исследования этого вопроса в эксперименте "КОМПЛАСТ" на орбитальной станции (ОС) "Мир" полиимидные пленки были помещены под защиту кварцевой пластины. В таких условиях экспонирования полностью исключали бомбардировку пленки атомарным кислородом и сохраняли облучение полным потоком электромагнитного излучения Солнца на орбите Земли в диапазоне с X > 200 нм. Для изучения влияния металлизированных поверхностей на космическую стойкость полимерных пленок были проэкспонированы односторонне алюмини-рованные полиимидные пленки.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Подробное описание методики эксперимента "КОМПЛАСТ" с образцами полимерных пленок на космической орбитальной станции (ОС) "Мир" содержится в [2]. Экспонировались полии-
мидные пленки марки ПМ-1Э (размер 55 х 55 мм, толщина 40 мкм) и односторонне алюминирован-ные полиимидные пленки марки ПМ-1УЭ-ОА (размер 110 х 50 мм, толщина 100 мкм, толщина алюминиевого покрытия ~ 3 мкм). На поверхности ОС "Мир" направления панелей двух партий образцов пленок были ориентированы перпендикулярно друг другу для установления зависимости изменения свойств полимерных пленок от направления движения станции. Сравнение изменения свойств и структуры пленок первой партии (время экспонирования 28 месяцев, 17.07.1995— 12.11.1997) и второй партии (время экспонирования 42 месяца, 17.07.1995-08.01.1999) позволило установить зависимость процесса деградации пленок от ориентации и времени экспонирования.
Для защиты от бомбардировки атомарным кислородом с энергией 5 эВ и изменения спектрального состава воздействующего солнечного излучения полиимидные пленки марки ПМ-1Э помещались в рамку из пластин кварцевого стекла марки КУ толщиной 1.2 мм, плотно прижатых к пленкам, что полностью исключало доступ к пленкам прямого и рассеянного потока атомарного кислорода, вакуумного УФ-света с X < 200 нм и низкоэнергетичного ионизирующего излучения. Образцы односторонне алюминированных пленок марки ПМ-1УЭ-ОА размещались в виде стопки из двух пленок, полимерные поверхности которых были открыты и подвер-
(а)
(б)
1.0 г
0.8 0.6 0.4 0.2
0
исходная 28 мес. 42 мес.
толщина плотность
1.0 г
0.8 0.6 0.4 0.2
0
исходная 28 мес. 42 мес.
толщина
плотность
Рис. 1. Относительные изменения толщины, массы и плотности полиимидной пленки марки ПМ-1Э после экспонирования в течение 28 и 42 месяцев: а) открытые пленки, экспонированные в условиях совместного воздействии атомарного кислорода и солнечного излучения; б) пленки, защищенные кварцевой пластиной: облучение солнечным излучением с X > 200 нм.
гались одновременному воздействию атомарного кислорода и солнечного света.
Массу пленок измеряли на весах типа ВЛР-200 с точностью ± 0.05 мг. Толщину пленок измеряли прецизионным измерителем линейных размеров типа ОВЭ-1 с точностью ± 1 мкм. Для изучения поверхностных свойств пленок определяли краевой угол смачивания методом лежащей капли. Измерения оптических спектров в видимой и УФ-области проводили на спектрофотометре
Пропускание, % 100
80
60
40
20
500
600
700 800 X, нм
900
1000
Рис. 2. Оптическое пропускание полиимидной пленки марки ПМ-1Э: 1 — исходная пленка; 2 — пленка, экспонированная за кварцевой пластиной солнечным излучением с X > 200 нм; 3 и 4 — открытые пленки, экспонированные в условиях совместного воздействии атомарного кислорода и солнечного излучения в течение 28 и 42 месяцев соответственно.
СФ-56 (фирма ОАО "ЛОМО"). Исследования структуры поверхности полимерных пленок проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа TESLA BS-340 и атомно-силового микроскопа SOLVER P-47 в Институте кристаллографии РАН им. А.В. Шубникова.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 сопоставлены результаты измерений массы, толщины и плотности открытых полии-мидных пленок марки ПМ-1Э, экспонированных при комплексном воздействии всех ФКП (а) и в условиях, защищенности от воздействия атомарного кислорода кварцевым стеклом (б). Видно разительное отличие в потере массы полиимидны-ми пленками в зависимости от условий экспонирования: потеря массы открытыми пленками за 42 месяца достигает ~ 40% в то время как потеря массы пленками, защищенными кварцевыми пластинами, составляет всего ~ 4%. Облучение только солнечным излучением с X > 200 нм вызывает незначительное разрушение полиимида. Значительная деградация пленки происходит только при одновременном воздействии атомарного кислорода с энергией ~5 эВ и солнечного света. Такое различное поведение пленки в условиях экспонирования (а) и (б) можно рассматривать как указание на си-нергетический характер процесса разрушения полимера при воздействии атомарного кислорода и солнечного излучения.
О характере превращения полиимида при одновременном воздействии атомарного кислорода и света можно судить по результатам исследований оптического поглощения полиимидных пленок, экспонированных в различных условиях (рис. 2). После экспонирования через кварцевую пластину светом с X > 200 нм наблюдается только
масса
масса
0
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЕНОК
незначительное увеличение поглощения пленок (кривая 2) по сравнению с исходными пленками (кривая 1). Поглощение пленки существенно возрастает (кривая 3) после одновременного воздействия нефильтрованного солнечного света и атомарного кислорода в течение 28 и 42 мес., кроме того пленки становятся шероховатыми, мутными и практически непрозрачными (кривая 4). Столь значительное изменение оптических свойств в видимом и УФ-диапазоне спектра свидетельствует о существенных химических и структурных превращениях исходной полиимидной пленки при одновременном воздействии атомарного кислорода и солнечного света. Эти данные можно рассматривать как свидетельство в пользу синергетическо-го характера процесса деградации полиимида при воздействии атомарного кислорода и солнечного излучения.
На рис. 3 представлены результаты измерений потери массы, толщины и плотности полиимид-ных пленок в зависимости от времени экспонирования. После первых 28 месяцев экспонирования за последующие 14 месяцев изменения параметров пленок увеличились в ~ 2 раза. Такой нелинейный характер скорости изменения параметров пленок в зависимости от времени экспонирования может быть обусловлен тем, что происходящие в процессе экспонирования изменения химического строения и структуры пленки ускоряют последующие превращения полиимида под действием ФКП.
Результаты исследований образцов односторонне алюминированных пленок марки ПМ-1УЭ-ОА после экспонирования в виде стопки из двух пленок приведены в таблице. Видно, что за первые 28 месяцев экспонирования потеря массы открытыми внешними пленками составляет ~35%, что в ~2 раза превышает потерю массы пленками марки ПМ-1Э без алюминиевого покрытия. После экспонирования в течение 42 месяцев потеря массы достигает ~80%, и пленка полностью теряет механическую прочность. В то же время внутренние пленки, которые находились в стопке под защитой внешних пленок, сохранились без изменения. Столь значительное ускорение процесса разрушения алюминированных полиимидных пленок ПМ-1УЭ-ОА по сравнения с пленками ПМ-1Э свидетельствует о
^40
35
30
25
20
, 15 3
§ 10
л
&
в
о
С
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Время экспонирования, мес.
Рис. 3. Изменения массы (1), толщины (2) и плотности (3) полиимидных пленок марки ПМ-1Э от времени экспонирования.
том, что в процесс деградации полиимида включен дополнительный механизм, который обусловлен наличием на поверхности пленки алюминиевого покрытия. Как видно на рис. 2, кривая 1, полиимид пропускает падающее солнечное излучение с X > > 450 нм, которое попадает на поверхность алюминиевого зеркала. Часть прошедшего светового потока отражается от металлического зеркала, а часть поглощается алюминием. Слой полиимида на поверхности алюминиевого покрытия многократно подвергается облучению отраженным светом как от алюминиевого зеркала, так и от поверхности пленки. Как было показано выше, солнечное излучение с X > 200 нм за 42 месяца экспонирования не вызывает деградацию полиимида. Поэтому можно полагать, что полимидный слой в пленках ПМ-1УЭ-ОА также не подвергается разрушению при облучении как прямым, так и отраженным солнечным излучение с X > 450 нм.
Процесс погло
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.