Способ определения дипольных моментов в полимерах
Использование: технология химических производств. Сущность изобретения: исследуемый образец полимера помещают между обкладками конденсатора, предварительно измерив его плотность. Измеряют диэлектрическую проницаемость и коэффициент диэлектрических потерь без воздействия внешнего электрического поля, средний квадрат напряжения электрических флуктуации на зажимах электродов преобразователя и вычисляют эффективный дипольный момент, приходящийся на мономерное звено. 1 ил
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я) s G 01 и 27/22
ГОСУДАРСТВЕ ННЫ Й КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4841619/25 (22) 25.06.90 (46) 07.07.92. Бюл. ¹ 25 (72) В.А.Ивановский и Ю, В. Зеленев (53) 543,25(088. 8) (56) Осипов О.А, и Жданов Ю,А, Дипольные моменты в органической химии, — Л.: Химия, 1968, с.48-56.
Электрические свойства полимеров./Под ред. Б.И.Сажина. — Л.: Химия, 1970, с. 376. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИПОЛЬНЫХ МОМЕНТОВ В ПОЛИМЕРАХ
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации, Известен способ измерения дипольных моментов, основанный на определении ориентационного эффекта полярных молекул под воздействием внешнего электрического поля.
Однако известный способ определения дипольных моментов молекул предназначен для веществ, растворенных в неполярных растворителях, и не может быть использован для оценки эффективного ди-. польного момента полимерных материалов в блоке.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ опре. Ы,, 1746281 А1 (57) Использование: технология химических производств. Сущность изобретения: исследуемый образец полимера помещают между обкладками конденсатора, предварительно измерив его плотность. Измеряют диэлектрическую проницаемость и коэффициент диэлектрических потерь без воздействия внешнего электрического поля, средний квадрат напряжения электри.еских флуктуаций на зажимах электродов преобразователя и вычисляют эффективный дипольный момент, приходящийся на мономерное звено. 1 ил. деления эффективного дипольного момента в полимерах по измерениям статической диэлектрической проницаемости в высокоэластическом состоя нии. Статическую диэлектрическую проницаемость г-, определяют в интервале температур, где она не зависит от частоты и понижается при нагревании. В этом интервале температур и частот диэлектрическая проницаемость равна статической диэлектрической и роницаемости, величину которой находят из круговых диаграмм для дипольно-сегментального процесса релаксации.
Пренебрегая атомной поляризацией для расчета эффективного дипольного момента, используют уравнение Онзагера ,Иэфф =
=О;0128 10 (.М r nv,. + n ; е,(„2) (1) 1746281
H® ф М ео7г 0 f 1 +2е в — 1 g -ч- g ) —, (2) р 32 йд d Б pl 1 2
=/ зфф= M Яу 0 f 1+2 e — 1 (,+ E" j -, (5) ,о 32нд О Ъ C Е" где M — молекулярная масса мономерного звена: р — плотность полимера;
n — коэффициент рефракции при температуре Т.
Известный способ измерения эффективных дипольных моментов, приходящихся на мономерное звено, трудоемок из-эа необходимости температурно-частотных измерений в высокоэластичном состоянии, имеет ограниченную точность в связи с пренебрежением атомной поляризацией и низкую информативность из-за воздействия электрического поля, прикладываемого для получения сигнала измерительной информации, что приводит к изменению процессов молекулярной подвижности элементов структуры полимерного вещества.
Цель изобретения — повышение точности измерений. где во — электрическая постоянная, равная
8,85 10 Ф/м; NA=6,022 10 моль "— постоянная Авогадро; D — диаметр потенциального электрода конденсаторного первичного преобразователя, м; б — толщина образца полимера, м; f частота измерений, Гц; Л f — полоса частот, в которой измеряется средний квадрат напряжения электрических флуктуаций, Гц; U — средний квадрат напряжения тепловых электрических флуктуаций полимера, В; M — молекулярная мас2, са мономерного звена, кг/моль; р плотность, кг/мз.
Поместим полимерный диэлектрик между обкладками конденсатора, образованного дисковыми электродами. Средний квадрат напряжения теплрвых электрических флуктуаций на его зажимах для области частот пт«КьТ равен
Для определения E и e" анализируемого материала, обусловленных лишь внутренним электромагнитным полем, его помещают в трехэлектродный первичный диэлькометрический преобразователь с диаметрами электродов, выбранными с условием O>=D --D>.
Предлагаемый способ определения дипольных моментов в полимерах благодаря отсутствию влия«ия внешних электрических полей позволяет существенно расширить экспериментальные возможности измерений дипольных моментов. указанная цель достигается путем помещения испытуемого образца полимера между обкладками конденсаторного первичного измерительного преобразователя, измерения диэлектрической проницаемости 6 без воздействия внешнего электрического поля, дополнительного измерения коэффициента диэлектрических потерь я", плотности исследуемого вещества и среднего квадрата напряжения тепловых электрических флуктуаций, существующих на зажимах электродов преобразователя, и вычисления эффективного дипольного момента, приходящегося на мономерное звено, по формуле
8КБ d Af е"
Ог- — — т (3)
2 2 (, )г+(„)у где h=6,63 10 Дж. с — постоя н ная Планка;
-З4
КБ = 1,38 10 Дж/К вЂ” постоянная Больцмана, В отсутствие внешнего электрического поля средний квадрат дипольного момента определяется следующей формулой, вытекающей из флуктуационно-диссипационной теоремы
2 M яо (1 2е )(е — 1
p 4лйд (4)
Выражая температуру Т образца полимера через средний квадрат напряжения электрических флуктуаций, для эффективного дипольного момента получаем выражение,Каждый датчик подключают к соответствующему входу одного иэ трех предварительных малошумящих усилителей с идентичными характеристиками. Подключение произвсдят кабелями с известными емкостями Ск1, Скг, Скз при условии
Ск1<Скр<Скз.
1746281
При этом для каждой системы датчик— предварительный усилитель можно записать уравнения, определяющие. средний квадрат флуктуационного напряжения Uiг, где i=1.2,3, поступающего на вход соответ- 5 ств ющего силителя
Явх.
U — U (10) 10 (6) (12) напряжение 01 будет совпадать с — г напряжением U, определяемым форму-г лой (3).
На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения дипольных моментов, Трехэлектродный первичный измерительный преобразователь 1 с испытуемым полимером помещается в термокамеру 2, являющуюся одновременно и электромаг нитным экраном, и подключается к входу измерительного блока 3, включающего три канала корреляционного усиления(предва- рительное усиление, фильтрация, перемножение и интегрирование), С выхода блока 3 сигналы — средние квадраты луктуационных напряжений U1 Oz и Оз, поступают
- г на блок 4 аналого-цифрового преобразования: Измерительная информация, представленная двоичным кодом. поступает на вход программируемого устройства 5 ввода-вывода параллельной информации в микроЭВМ 6, Последняя управляет также
5 температурным режимом термокамеры 2 с помощью блока 7, состоящего из нагревателей и измерителя температуры. Визуальный контроль средних квадратов ф уктуационных напряжений осуществляется с помощью цифрового вольтметра 8.
15 пРи х о /, Ьо 2X f(Cex 1+
+ См1+CK1 }=2 fCo, . Ь1 = 2 л1(Свхг+Смг+Скг) =2л fC1; b2=
=2тг 1(Свхз+Смз+Скз)=2л 1Сг, 20 где Ix — средний квадрат тока тепловых электрических флуктуаций полимера; I ex— средний квадрат тока электрических флуктуаций и редварител ьного малошумящего усилителя; gx —. активная и Ьх — реактивная 25 проводимости первичного измерительногб емкостного преобразователя; gex — активная входная проводимость предварительного усилителя; Свх — его входная емкость;
См —; Ьо, b1, Ьг — входные 30 реактивные проводимости усилителей.
Флуктуационные напряжения 01, Uz, 2 "2
Оз определяются как
01 =(01 /Ку1) - Е у1;
U2 = (02 /Ky2) -E у2: (7) Озг=(0з1/К з)гЕгУ3.
40 где 01, Îã, Оз — напряжения, измеренные
1 1 1 на выходах соответствующего канала усилениЯ; Ку1, Куг, Куз — коэффиЦиенты УсилениЯ каналов измеРительной системы; Е у1, Е уг, ."2 2
Е уз — собственные шумы входных предва- 45 рительных усилителей, приведенные ко входу
На основании вышеизложенного диэлектрические характеристики полимера е и е" определяются по формулам 50
2Cpd
Ео Л0
Uf 1 — А + А U) С /C() — Я C)/Cp (8)
U2 с1/cp — U) (1 — A ) — A Я сг/со 55
„ u)-u), u3 -u) (Я) У У
2 Ix + вх
2 2
U1— (Ях + Явх ) + (Ьх + Ьо ) — г ° Ix + вх
2 2
Uz—
2 г (Ях + Явх ) + (Ьх + Ь1 ) 2 Ix + 1вх
2 2
Оз
2 г (Ях+Явх) +(Ьх+Ь2)
b =2f E e л20 40
tQ д= gx/Ьх. E = : tg д.
При надлежащем выборе характеристик предварительного усилителя
gx»Qex, х >>I вх, bx>>bo
2 2
Формула изобретения
Способ определения дипольных моментов вполимерах,,заключающийся в том. что помещают исследуемый материал в емкостный первичнь и преобразователь, измеряют диэлектрическую проницаемость вещества и его плотность и определяют дипольный момент по результатам измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измерение диэлектрических характеристик осуществляют в режиме отсутствия электрического поля, дополнительно измеряют коэффициент диэлектрических потерь исследуемого вещества и напряжение тепловых электрических флуктуаций; с учетом которых вычисляют дипольный момент по формуле
1746281
1+2 е c — 1 е + е" )
Е Е
Составитель Ю. Коршунов
Редактор Н. Лаэоренко Техрец M.Mîðãåíòàë Корректор В. Гирняк
Заказ 2391 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
/ эфф M Я ж D 1 ц р 32 NA d где М вЂ” молекулярная масса полимера, кгlмоль:
p — плотность, кг/с:
3.
c, — электрическая постоянная;
Йд число Авогардо;
0 — диаметр потенциального электрода первичного преобразователя, м;
d — толщина образца, м; — частота измерений Гц
0 — средний квадрат напряжения тепг ловых электрических флуктуаций, В;
Лf — полоса частот, в которой произво-.
5 дится измерение f, гц;
c, c" — диэлектрическая проницаемость и коэффициент диэлектрических потерь.
