ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2007, том 41, № 4, с. 271-276
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ^^^^^^^^^^
ХИМИИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
УДК 541.64:629.78
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ ПОЛИИМИДНЫХ
И ДВУХСЛОЙНЫХ ФТОРПОЛИИМИДНЫХ ПЛЕНОК, ЭКСПОНИРОВАННЫХ НА ОРБИТАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ
СТАНЦИИ "МИР"
© 2007 г. О. А. Ананьева*, В. К. Милинчук*, Д. Л. Загорский**
*Обнинский государственный технический университет атомной энергетики 249020, Обнинск, Калужская обл., Студгородок, 1 E-mail: milinchuk@iate.obninsk.ru **Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук 117333, Москва, Ленинский просп., 39 Поступила в редакцию 05.04.2006 г.
Приведены результаты исследований двухслойных фторированных полиимидных и полиимидных пленок, экспонированных на орбитальной космической станции "Мир". Полиимидные пленки были закрыты при экспонировании кварцевыми пластинами. Увеличение поверхностной энергии и работы адгезии свидетельствуют о существенной гидрофилизации открытой поверхности, а также о небольшой гидрофилизации закрытой поверхности пленки. Различие в значениях поверхностной энергии и работы адгезии в зависимости от ориентации образца по отношению к направлению движения орбитальной космической станции свидетельствуют о том, что поверхностные свойства наружной поверхности открытой пленки при экспонировании приобретают анизотропный характер, причем ось анизотропии ориентирована по направлению движения корабля. В пользу приобретения наружной поверхностью пленки анизотропных свойств свидетельствуют исследования микрофотографий, полученных электронной сканирующей микроскопией, и круговых диаграмм яркости. Гид-рофилизациия пленок свидетельствует об увеличении концентрации полярных групп. В космосе происходит разрушение поверхностного фторполимерного слоя и его удаление в условиях глубокого вакуума. У полиимидных пленок, закрытых кварцевыми стеклами, поверхностная энергия и работа адгезии практически остаются такими же, как у исходных пленок. Сделан вывод, что солнечное излучение (с X > 200 нм) не вызывает значительной деградации свойств полиимидной пленки.
Важнейшую роль в обеспечении длительной и безотказной работы космических аппаратов (КА) играет стойкость конструкционных материалов и элементов их аппаратуры к воздействию внешних факторов космического пространства (ФКП). Эти факторы включают в себя глубокий вакуум, корпускулярные и электромагнитные излучения разных видов, метеориты, невесомость и т.п. Многообразие факторов, воздействующих на космические аппараты, сложные энергетические спектры излучений, возможность воздействия отдельных факторов в различных сочетаниях и в разной временной последовательности - все это значительно затрудняет изучение и прогнозирование работоспособности полимерных материалов КА в космосе. Исследования в этой области, стимулированные запросами развивающейся космической техники, привели к созданию нового научного направления - космического материаловедения, в задачи которого входит экспериментальное и теоретическое изучение изменения свойств и эксплуатационных характеристик полимерных материалов при воздействии ФКП и разработка средств защиты от этого воздействия [1].
С целью изучения поведения композитных, тонкопленочных и других полимерных материалов на орбитальной космической станции "Мир" был проведен эксперимент "Компласт" [2]. Испытуемые материалы, прикрепленные к специальным панелям, находились в космосе в течение 28 и 42 месяцев. Экспонировались полиимидные (ПИ), фторопластовые полимерные пленки, а также материалы на их основе. После возвращения на Землю были проведены лабораторные исследования экспонированных образцов. Результаты исследований свойств и структуры ПИ и фторопластовых пленок опубликованы в [2-6].
В настоящей статье приведены результаты исследования пленок двухслойного фторированного полиимида, которые имеют широкое промышленное использование [7]. Большое распространение получили провода и кабели на основе ПИ и сополимера тетрафторэтилена и гексафторпро-пилена (ТФЭ-ГФП). Изоляционные конструкции из таких слоистых материалов (ламинатов) часто оказываются единственными полимерами, пригодными для использования в качестве изоляции
проводов и кабелей, работающих в особо сложных условиях в широком диапазоне температур. Тонкий слой фторполимера на полиимид наносят различными способами, например, из суспензий, представляющих собой тонкодисперсные взвеси порошка полимера в воде; из органического растворителя порошка фторполимера, который наносят на поверхность полиимида методами окунания, полива или распыления из пульвелизатора; газопламенным напылением порошковой композиции в псевдоожиженном слое струйным или электростатическим методом [8]. Обычно у двухслойной фторполиимидной пленки на одну поверхность наносится фторполимер, а вторая остается без изменения.
Для выяснения общих закономерностей поведения новых перспективных для применения в космосе полимерных пленочных материалов несомненный интерес представляет исследование изменение свойств и структуры двухслойных фторполиимидных пленок в условиях низких земных орбит при полете на космической станции "Мир" и сравнение их с изменениями в космосе обычных ПИ [4, 5]. Также для определения величины деградации полиимидных пленок при воздействии электромагнитного излучения Солнца с X > 200 нм были исследованы свойства полиимидных пленок, экспонированных под защитой кварцевых пластин.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На орбитальной космической станции "Мир" были проведены натурные испытания двух партий полимерных пленочных материалов. Первая находилась в космосе в течение 28 месяцев, вторая - в течение 42 месяцев на высотах 350-450 км. Пленки были размещены на панелях кассеты "Компласт". Панели двух партий образцов были ориентированы перпендикулярно друг другу.
На каждой панели были размещены без защиты (открытые) пленки двухслойного фторированного полиимида, которые были закреплены крученными аримидными нитями. Пленка, экспонированная 42 месяца, на панели не была обнаружена. Возможно, либо пленка разрушилась при экспонировании на космической станции (что маловероятно), либо она была утеряна при снятии кассеты с борта станции.
Полиимидные пленки ПМ-1Э были закрыты рамкой, состоящей из четырех пластин, изготовленных из кварцевого стекла марки КУ толщиной 1.2 мм.
Для изучения поверхностных свойств полимерных пленок измеряли краевые углы смачивания гониометрическим методом. Предварительно для обеспечения необходимой чистоты поверхно-
сти пленок протирались этиловым спиртом. В качестве рабочих жидкостей использовались вода (бидистиллят) и глицерин. Измерения краевого угла проводили под двумя взаимно перпендикулярными направлениями - 0° и 90°. На основании значений краевого угла смачивания для двух жидкостей рассчитывали работу адгезии Wa, полную поверхностную энергию Y и ее полярный компонент Yp.
Оптические спектры пропускания в спектральном диапазоне 200-800 нм измеряли автоматическим спектрофотометром модели "СФ-56" (фирма "ЛОМО") в нормальных условиях.
Структуру поверхности пленок исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа TES LA BS-340 (ускоряющее напряжение 30 кВ, усиление 2000-10000) в Институте кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН. Перед съемкой поверхности образцов пленок покрывали тонким слоем меди.
Круговую диаграмму коэффициента яркости ß поверхностей пленок измеряли в направлении нормали к образцу при освещении под углом 45° к его поверхности. Погрешность фотометра при измерении коэффициента яркости при угле падения света 45° и угле наблюдения 0° составляла не более ±1%. Круговая диаграмма ß измерялась для наружной поверхности пленки.
Массу пленок и нитей определяли взвешиванием на лабораторных весах типа ВЛР-200 с точностью ±0.05 мг.
Для исследования изменения поверхностных и объемных свойств пленок использовались оптический микроскоп "ПОЛАМ Л-213" (производство фирмы "ЛОМО") и прецизионный измеритель линейных размеров типа ОВЭ-1. Точность измерения толщины пленочных образцов составляла ±1 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Визуальный осмотр двухслойной фторполии-мидной пленки, экспонированной 28 месяцев, показал, что открытая поверхность пленки стала матовой, мутной, шероховатой, сильно рассеивающей. Боковые участки, прикрытые крепежными деталями, и участки, закрытые аримидными нитями, были прозрачными и гладкими, как у исходной пленки. Таким образом, наибольшим изменениям подвергается открытая поверхность пленки.
На рис. 1 приведены гистограммы относительного изменения толщины, массы и плотности двухслойного фторированного полиимида. Если сравнивать потери массы и толщины пленки с аналогичными образцами полиимидной пленки,
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ ПОЛИИМИДНЫХ И ДВУХСЛОЙНЫХ.
273
то потеря массы у них одинакова ~17%, толщина пленки двухслойного фторированного полиими-да снижается на 26%, а у полиимидов - на 15%.
Исследование поверхностных свойств методом лежачей капли дали следующие результаты. У исходной пленки краевой угол смачивания (0): фторированная поверхность - 0 = 103°(вода) и 0 = 86° (глицерин); полиимидная поверхность - 0 = 65° (вода) и 0 = 57° (глицерин). Работа адгезии Wa и поверхностная энергия у и ее полярный компонент Yp для исходной пленки: фторированная поверхность - Wa = 56 мДж м-2 (по воде) и 68 мДж м-2 (по глицерину), y = 26 мДж м-2 , Yp = 0.5 мДж м-2; полиимидная поверхность - Wa = 104 мДж м-2 (по воде) и 99 мДж м-2 (по глицерину), y = 38 мДж м-2, Yf, = 20 мДж м-2. Для экспонированной пленки краевой угол смачивания, работа адгезии, поверхностная энергия и ее полярная компонента приведены в табл. 1 (0|| - по направлению движения КА, 0± - перпендикулярно движению КА).
Итак, после экспонирования в течение 28 месяцев поверхностная энергия полиимидной поверхности пленки увеличивается на 12%. У открытой поверхности двухслойной фторированной пленки поверхностная энергия значительно возрастает - от 28 до 40% в зависимости от ориентации пленки на панели. Работа адгезии также зависит от ориентации пленки и возрастает в 1.51.7 раза.
Увеличение поверхностной энергии и работы адгезии свидетельствует
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.