Способ определения времени молекулярной релаксации процессов теплового движения в полимерах

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования измерения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения времени молекулярной релаксации процессов теплового движения в полимерах разной полярности и химического строения при заданной температуре. Сущность изобретения заключается в том, что помещают исследуемый образец полимерной системы в первичный измерительный преобразователь емкостного типа, измеряют и регистрируют на зажимах измерительного преобразователя в течение промежутка времени Δt напряжение тепловых электрических флуктуаций u(t) при температуре Т, по полученным данным рассчитывают время молекулярной релаксации по определенной расчетной формуле. 1 табл., 2 ил.

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.

Известны способы определения времени молекулярной релаксации процессов теплового движения в полимерах, основанные на применении различных физических методов анализа неметаллических материалов: ядерного магнитного резонанса, радиотермолюминесценции полимеров, динамический, механический, диэлектрический (Ивановский В.А. Исследование влияния молекулярной подвижности на электрические флуктуации полимеров и разработка метода контроля их физических свойств. - Дисс. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. - М.: НИИИнтроскопии, 1986). Однако все они основаны на приложении к испытуемому образцу силового поля (магнитного, механического, электрического), что изменяет характер теплового движения кинетических единиц полимерной системы, и получаемая информация о времени молекулярной релаксации соответствует полимеру, находящемуся под энергетическим воздействием.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения времени молекулярной релаксации процессов теплового движения в полимерах (см. патент РФ 1712854, G 01 N 27/22).

Сущность способа заключается в следующем. Испытуемый образец полимера помещают в емкостной первичный преобразователь, нагревают с постоянной скоростью, регистрируют средний квадрат напряжения тепловых электрических флуктуаций, определяют температуры интервала, где напряжение тепловых электрических флуктуаций <U ²> превышает заранее заданное значение, фиксируют интервалы температуры [T_i,T_j] и времени [t_i,t_j] соответствующие границам изменений <U ²>, а время молекулярной релаксации рассчитывают по формуле где ν - частота измерений, m - безразмерная величина, численно равная ширине полосы частот, в котором производится измерение среднего квадрата флуктуационного напряжения. Недостаток способа заключается в том, что для получения измерительной информации требуется нагрев образца.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения времени молекулярной релаксации процессов теплового движения в полимерах разной полярности и химического строения при фиксированной температуре.

Сущность изобретения заключается в том, что помещают исследуемый образец полимерной системы в первичный измерительный преобразователь емкостного типа, измеряют и регистрируют на зажимах измерительного преобразователя в течение промежутка времени Δt напряжение тепловых электрических флуктуации u(t) при температуре Т, по полученным данным рассчитывают время молекулярной релаксации по формуле где R(τ) - корреляционная функция процесса u(τ), определяемая как R(0) - дисперсия сигнала u(t), τ - время.

Предложенный способ поясняется следующей схемой, представленной на фиг. 1. Исследуемый образец 1 помещают в первичный измерительный преобразователь емкостного типа 2, расположенный в электромагнитном экране 6. Температуру образца измеряют термопарой 4 и потенциометром 3. Тепловой режим задают блоком 5. Сигнал измерительной информации усиливают широкополосным усилителем 7 и подают на обработку в блок 8, включающим АЦП 9 и персональный компьютер 10.

На зажимах первичного измерительного преобразователя существует ЭДС e(t), обусловленная флуктуационными процессами в испытуемом образце. При подключении преобразователя к малошумящему усилителю, через его входное сопротивление Z будет протекать ток i(t), вызывая появление флуктуационного напряжения u_x(t), среднее значение которого равно нулю.

На выходе усилителя с коэффициентом усиления К_v это напряжение будет определяться как u_вых(t)=[u_x(t)+n_вх(t)]•K_v+n_вых(t), (4) где n_вх(t), n_вых(t) - соответственно шумовые составляющие сигнала входной и выходной части усилителя. Первое слагаемое (4) намного превышает n_вых(t). Поэтому n_вх(t) основная помеха при анализе флуктуационных сигналов, несущих измерительную информацию о процессах теплового движения в анализируемой системе.

Цифровой сигнал u_z(t) с выхода АЦП поступает на дальнейшую обработку в компьютер. При постоянной температуре в частотном диапазоне 500-20000 Гц с помощью компьютера записывается флуктуационное напряжение u_вых(t). Время записи выбирается равным Δt=3 с. Частота дискретизации 44100 Гц. Дальнейшая обработка сигнала измерительной информации производится следующим образом: - рассчитывают автокорреляционную функцию сигнала u_вых(t)

представляющую собой при условии постоянства K_ν в рассматриваемом частотном диапазоне, сумму
R_вых(τ) = K²_ν[R_x(τ)+R_пвх(τ)], (6)
в которой R_x(τ)≫R_пвх(τ). Поэтому R_вых(τ) = R(τ) отличается лишь масштабом по оси ординат, а временные соотношения сохраняются неизменными;
- рассчитывают дисперсию сигнала
D_U=R_вых(0)=R(0); (7)
- рассчитывают время корреляции τ_кор

Время корреляции при данной температуре Т определяет время переходных процессов в полимерной системе и, следовательно, является одновременно временем процесса молекулярной релаксации τ₀. Поскольку флуктуационный сигнал u(t) определяется в промежутке времени Δt, то время молекулярной релаксации τ₀ определится как

На фиг. 2 изображены нормированные корреляционные функции процессов электрических флуктуаций наиболее распространенных полимеров поливинилхлорида (ПВХ), полиметилметакрилата (ПММА) и полистирола (ПС)

по которым определены соответствующие времена релаксации при температуре Т=293 К, представленные таблицей.

Предлагаемый способ определения времени молекулярной релаксации процессов молекулярной подвижности в полимерных материалах позволяет существенно расширить экспериментальные возможности анализа высокомолекулярных соединений.

Формула изобретения

Способ определения времени молекулярной релаксации процессов теплового движения в полимерах, заключающийся в помещении образца в первичный измерительный преобразователь емкостного типа, задании температуры испытаний Т, расчете времени релаксации по измеряемым физическим величинам, отличающийся тем, что измеряют и регистрируют на зажимах измерительного преобразователя в течение промежутка времени Δt напряжение тепловых электрических флуктуаций u(t), по полученным данным рассчитывают время молекулярной релаксации по формуле

где R(τ) - корреляционная функция процесса u(τ), определяемая как

R(0) - дисперсия сигнала u(t);
τ - время.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3