Спросить
Войти
Вестник АмГУ
Выпуск 87; 2019
УДК 538.958
К.К. Тяжелкова, В.В. Нещименко
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ В ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЕНКАХ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НИХ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА
В статье представлены результаты идентификации собственных центров поглощения в полиимидной пленке методами ультрафиолетовой, видимой, ближней инфракрасной и инфракрасной спектроскопии. Были рассмотрены состав, свойства и общие характеристики полиимидной пленки. Рассмотрена деградация оптических свойств полиимидной пленки под действием атомарного кислорода.
Введение
Полимерные композиционные материалы составляют одну из основ современной техники. Они используются в различных отраслях промышленности, в том числе микроэлектронике, радиотехнике и космической отрасли. На их основе получают материалы с широким диапазоном физико-химических свойств [1]. Полиимидная пленка представляет собой супертонкий, износоустойчивый, эластичный, устойчивый к влиянию щелочных сред, масел и растворителей прозрачный материал, который обладает также высокой устойчивостью к возможным резким изменениям физических и химических окружающих факторов [2-4]. На основе такого материала изготавливают терморегулирую-щие покрытия для космических аппаратов (КА), на которые действуют факторы космического пространства, в том числе электромагнитное излучение Солнца, а также атомарный кислород. Высокой реакционной способностью обладают атомы кислорода. В итоге эти атомы образуются фотодиссоциацией двухатомных молекул, которые появляются под воздействием солнечных фотонов с длиной волны в пределах 240 нм [5-6]. Атомарный кислород - компонент, находящийся в верхней атмосфере Земли, где проходят пилотируемые полеты космических кораблей [4, 7]. В результате воздействия атомарного кислорода возникает эрозия материалов, приводящая к усилению негативных факторов их механических, оптических, термических и электрических характеристик.
В ряде авторских работ [8, 9] изучалось воздействие атомарного кислорода на полиимидную пленку. Результат исследования показал, что этом наблюдается эрозия поверхности материала и деградация его оптических свойств.
При изучении свойств полиимидных материалов используют спектральные методы исследования. Они информируют о процессах взаимосвязи на уровне молекулы, устанавливают связи между химическим составом, строением, физическими свойствами и их характером, протекающим во времени [1, 6, 10]. Выбор спектрального метода для исследований определяется структурными особенностями вещества и их дефектностью, способными обеспечить поглощение энергии.
Статья посвящена исследованию центров поглощения квантов света в видимой области спектра в полиимидных пленках до и после воздействия на них атомарного кислорода.
Методика эксперимента
Полиимидная пленка была приобретена в компании Tianjin Fortune International Industry and Trade. Для исследования ее свойств использовали ультрафиолетовую (УФ), видимую, ближнюю инфракрасную (БИК), а также инфракрасную спектроскопию. Регистрация спектров поглощения осуществлялась на спектрометре Lambda 950 фирмы Perkin Elmer с шагом 5 нм, в области от 200 до 2500 нм. Анализ ИК-спектров проводили на спектрометре Vertex 80v фирмы Bruker, в области от 4000-400 см"1. Образцы были подвергнуты воздействию атомарного кислорода флюенсом 2-1020 атом/см2 в имитаторе факторов низких орбит.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 и 2 представлены спектры пропускания полиимидной пленки, охватывающий диапазон областей от УФ до БИК.
Рис. 1. Спектр пропускания Рис. 2. Спектр пропускания
полиимидной пленки до воздействия полиимидной пленки после воздействия
атомарного кислорода. атомарного кислорода.
Проанализировав рис. 1, замечаем, что комбинированная полоса из-за растяжения С-Н появляется в диапазоне 2500-2440 нм. Этот пик был идентифицирован в ближнем ИК-диапазоне. Пик 2355 нм соответствует комбинационному колебанию гидроксила, пики 2135 нм, 1665 нм и 1910 нм -С=К связи [11]. Пик при 500 нм относится к видимой области и соответствует С-Н связи. После воздействия атомарным кислородом (рис. 2) наблюдается резкое изменение в области от 749 нм до
Из рис. 3 можно сделать вывод об увеличении интенсивности пиков С-Н связи. Также наблюдается новый пик для двойной связи С=0. Это означает, что в области от 500 - 1120 нм образовался новый свободный радикал вследствие процессов радиационной деструкции химических связей.
Из полученного разностного спектра поглощения следует, что воздействие атомарного кислорода на полиимидную пленку приводит к возникновению интегральной полосы наведенного поглощения в области от 500-1119 нм, что обусловлено образованием свободных радикалов из-за процессов радиационной деструкции слабых алифатических связей С-С и основной составляющей полиимидной пленки.
Длина волны, нм
Рис. 3. Спектр наведенного поглощения полиимидной пленки после воздействия на нее атомарным кислородом.
Вестник АмГУ
Выпуск 87, 2019
При рассмотрении ИК-спектров наиболее важными являются области 2500 - 1500 см"1 и 4000 - 2500 см"1. Первая область (4000 - 2500 см"1) позволяет наблюдать в структуре соединения связи: С=С, С=С, С=0, С=>1, С=Ы", ароматические и гетероароматические ядра. Вторая область (2500 -1500 см"1) дает возможность видеть полосы поглощения функциональных групп - таких как О-Н, N-11, а также различные типы связей углерод - водород С-Н (альдегид) [12].
На рис. 4 отображен ИК-спектр полиимидной пленки. Средний инфракрасный регион 4000-500 см"1 приблизительно разделен на три области. Характер групповой частоты определен областью, в которой он расположен. О-Н, С-Н и N-4 принадлежат колебаниям при 4000 - 2500 см"1. В области 4000 - 3500 см"1 присутствует широкая полоса О-Н. N-4 растягивающее колебание наблюдается в области 3400 - 3300 см"1. В диапазоне 3000 - 2850 см"1 присутствуют С-Н растягивающие колебания в алифатических соединениях. Далее С-Н растягивающее колебание перемещается в область 3100 - 3000 см"1. Из-за высоких значений силовых констант связей в области 2500 - 2000 см"1 наблюдается поглощение, связанное с растягивающим колебанием тройной связи. Тройная связь С=С присутствует между 2300 и 2050 см"1, тогда как нитрильные группы С^Г встречаются между 2300 см"1 и 2200 см"1. Эти группы различимы, поскольку растяжение С=С обычно очень слабое, а С^М растяжение имеет среднюю интенсивность [12, 13].
Полосы с растяжениями С=С и С=0 проявляются в области 2000 - 1500 см"1. С=0 в зависимости от типа связи происходит в 1830 - 1650 см"1. С=С растяжение значительно слабее и происходит примерно на 1650 см"1. С^ растяжение также присутствует в данной области, и обычно сильнее. В области отпечатков пальцев (700 - 1500 см"1) лежат полосы поглощения, содержащие связи С/С, С/О, С/Щ13, 14, 15].
Рис. 4. ИК-спектр полиимидной пленки.
Рис. 5. ИК-спектр полиимидной пленки до и Рис. 6. Разностный ИК-спектр пропускания после воздействия атомарного кислорода. полиимидной пленки до и после воздействия
на нее атомарным кислородом.
На рис. 5 и 6 изображен сравнительный ИК-спектр до и после воздействия атомарного кислорода на пленку.
Наблюдается уменьшение интенсивности от 500 до 1120 нм и увеличение интенсивности пиков поглощения в области от 1900 до 3650 нм после воздействия на пленку атомарного кислорода.
Это связано с увеличением концентрации связей С-С, С=0, которые обусловливают данные пики, т.е. с деградацией полиимидной пленки (рис. 7).
Заключение
Таким образом, на состав полимера влияют в большей степени химические реакции, которые образующиеся на полимерной поверхности налетающим потоком атомарного кислорода. Основываясь на полученных данных анализа можно утверждать об обнаружении спектров, связанных с поглощением излучения гидроксилом и С-Н связями, захват кислородом атома Н с образованием ОН и углеводородного радикала.
Энергетическое взаимодействие полиимидных пленок с излучением предполагается зависящим от обнаруженных групп. Образование центров поглощения обусловлено остаточными продуктами поликонденсации. Деградация оптических свойств полиимидной пленки под действием атомарного кислорода обусловлена разрушением алифатических групп. Образуются цианаты (-N=0=0), имины (С=С=М), амиды (С-СШ).
Рис. 7. Образование цианатов, амидов и имидов в полиимидной пленке.
