16
Июнь
2016

Электронно-микроскопические исследования

радиолиза порошкообразного политетрафторэтилена

М.А. Арсентьев1, Рашковский А.Ю.2, Васильева С.В.1, Шкловер В.Я.2, А.С. Смолянский1,3

1Акционерное общество «ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я. Карпова», Москва

2ООО «Системы для микроскопии и анализа», Сколково, Москва

3РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва

Методом просвечивающей электронной микроскопии исследованы порошки политетрафторэтилена, γ-облученные на воздухе при комнатной температуре дозами от 10 до 500 кГр при мощности дозы от 130 до 180 Гр/с. Установлено, что в результате воздействия ионизирующего излучения происходят значительные изменения формы и кристаллической структуры частиц порошка ПТФЭ. В области малых доз (до 50 кГр) доминируют процессы кристаллизации полимера с образованием винтовых дислокаций, в то время как при дозах ~500 кГр преобладает деструкция, сопровождаемая аморфизацией и образованием нанопор.

Исследование закономерностей радиолиза нано-/микрочастиц (НМЧ) порошкообразного политетрафторэтилена (ПТФЭ) актуально как точки зрения совершенствования технологии радиационной модификации ПТФЭ, так и изучения механизма радиационно-индуцированных превращений полимера в области нано- и микромасштабов, совпадающих с масштабами протекания первичных радиационно-химических процессов.

Цель настоящего исследования состояла в изучении формы и строения НМЧ ПТФЭ (Ф-4 ПН-90), подвергнутых воздействию γ-излучения изотопа 60Со на воздухе при комнатной температуре в области поглощённых доз от 10 до 500 кГр при мощности дозы от 130 – 180 Гр/с на установке РХМ-γ-20.

Мощность дозы измеряли методом ферросульфатной дозиметрии. Измерения проводили с использованием просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) FEI Tecnai GF20 S-Twin TMP при ускоряющем напряжении 200 кВ в светлом поле. Разрешение прибора 0,14 нм (line resolution). Непосредственно перед измерениями методом ПЭМ порошки ПТФЭ диспергировали в ультразвуковой ванне в гептане в течение 5 минут, и затем каплю раствора НМЧ ПТФЭ объёмом 0,10 мл наносили на 300 мкм медную сеточку, покрытую углеродной пленкой с отверстиями типа Lacey. Полученный образец высушивали на воздухе в течение 10 минут. После испарения растворителя начинали проводить ПЭМ-измерения.

Обнаружено, что радиационная обработка НМЧ ПТФЭ приводит к значительным изменениям формы и строения частиц. В порошке исходного и облученного до 10 кГр полимера наблюдали НМЧ сферической или чешуйчатой формы размером ~20 нм, которые были объединены в кластеры микронного размера, состоящие из нескольких слоёв НМЧ ПТФЭ (рисунок 1, а). Кроме того, были обнаружены многочисленные нитевидные кристаллы ПТФЭ длиной 0,1 – 0,2 мкм и толщиной до 10 нм. При увеличении поглощённой дозы до 50 кГр происходит изменение состава НМЧ ПТФЭ – исчезают нитевидные кристаллы (рисунок 1, б). Кроме того, обнаружено значительное возрастание кристалличности полимера. Наблюдается формирование винтовых дислокаций со слоями толщиной от 3 до 8 нм. Одновременно с этим в областях сочленения данных структурных элементов наблюдается наличие нанокристаллов размером порядка 5 нм. Фурье-анализ полученного изображения (вставка на рисунке 1, б) позволяет чётко наблюдать кольца и частотные максимумы, происхождение которых связано с наличием дальнего порядка атомно-кристаллической структуры ПТФЭ. Дальнейшее увеличение поглощённой дозы до 100 – 500 кГр приводит к разрушению винтовых дислокаций. При этом кластеры НМЧ ПТФЭ становятся менее разветвлёнными, в них появляются нанопоры размером от 10 до 15 нм (рисунок 1, г). При этом размер самих НМЧ ПТФЭ составляет около 130 нм.

1213

 

1415

 

Рисунок 1 – Изображения нано-/микрочастиц политетрафторэтилена, γ-облученных при комнатной температуре, на воздухе, до различных доз, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии: 10 (а), 50 (б), 100 (в) и 500 кГр (г)

 

 

Настоящее исследование проведено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Субсидия на проведение прикладных научных исследований от «20» октября 2014 года №14.576.21.0053, уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57614X0053)