СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОБРАЗЦОВ ИЗ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА Российский патент 2023 года по МПК G01N1/28 G01N1/32 

Изобретение относится к области исследования полимерных материалов, в частности, к полиэтилентерефталату (ПЭТФ), его структурного состояния. Оно может быть использовано в химической и промышленностях, использующих и производящих изделия из полиэтилентерефталата, как способ контроля качества изделия, осуществляемого на образцах различной степени кристаллизации (рентгено-, кино-, фотопленки, для электротехнической промышленности, детали и изделия антифрикционного и конструкционного назначения, в радио-, электронике, машиностроении, в емкостях, используемых в пищевой промышленности).

Изучение характера соединения закристаллизованных элементов структуры в сложные структурные образования ведется, в основном, при использовании травления поверхности пленок ПЭТФ, изготовленных различными способами. Но любой способ обработки травлением полиэтилентерефталата предполагает изменение исходного состояния структурных элементов и самой структуры, а чаще - меняет свойства поверхности (придает хрупкость слою при вытравливании аморфной составляюшей, придает клейкость при полной переработке структурного состояния поверхности и т.д.) (см. Справочник химика 21. Химия и химическая технология на сайте www.chem21.info, разделы: Полиэтилентерефталат: травление. С. 35, 44, 45, 185, 190, 412).

Известны способы обработки травлением полиэтилентерефталата (Справочник химика 21. Химия и химическая технология. Сайт www.chem21.info с. 190, 295, 181.; Апель П.Ю. Треки ускоренных тяжелых ионов в полимерах. Автореферат дисс. на соискание ученой степени д.х.н. - 22.09.1998 г., с. 10; патент РФ № 2325944), заключающиеся в травлении поверхности изделий в NaOH, KOH при температуре 75-108⁰С или натрий нафталине. Все травители изменяют структуру полиэтилентерефталата с получением в результате клеящего слоя, шероховатой бумаге и т.д.

Известен способ обработки травлением полиэтилентерефталата (ПЭТФ) (П.Я. Попилов. Советы заводскому технологу. Л. Лениздат, 1979 г. Справочное пособие, с.191), заключающийся в том, что вначале образец травят в горячем (85-95⁰С) растворе, который содержит бихромат натрия - 40,6 г (2%), серную кислоту (ρ=1,84) - 770 г (77%), воду - 210 г (21%), затем промывают горячей водой и 3,5%-ным раствором используемого травителя при 95-100⁰С.

Недостатки способа следующие:

- используют травитель для выявления ПЭТФ при температуре и в составе, который дает недостоверную информацию об элементах структуры, так как наличие серной кислоты приводит к изменению структурного состояния;

- используют высокую температуру обработки при выявлении структуры, что недопустимо, так как рабочая температура исследуемого материала (ПЭТФ), в зависимости от степени кристаллизации и типа ПЭТФ - это и 60°С и 80-90⁰С (М.Ю. Кацнельсон, Г.А. Балаев. Справочное пособие. Полимерные материалы, Л. «Химия», 1982 г., с. 146, 148).

- исследование структурного состояния ограничено травлением поверхностного слоя. ПЭТФ же сложный полиэфир слоистого строения.

- использование травителя ограничено тем, что позволяет разрушить исходную структуру для того, чтобы в дальнейшем использовать поверхность ПЭТФ, измененную травлением для нанесения металлического слоя на нее (Справочник химика 21. Химия и химическая технология, с. 44);

- способ позволяет травлением поверхности получить слой, обладающий высокими клеящими свойствами.

Известен способ обработки травлением полиэтилентерефталата (ПЭТФ) (патент РФ № 2031975 от 16.03.1990 г.), заключающийся в травлении поверхности образца в 87-90%-ной серной кислоте с добавкой 5-10% формальдегида при 100-120°С с последующей промывкой водой не ниже 80°С.

Способ ограничен получением поверхности ПЭТФ, обладающей высокой адгезионной способностью к различным подложкам. Травление полностью разрушает исходную структурную организацию ПЭТФ.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ исследования анизотропии материала (патент РФ № 2330260), включающий нанесение на поверхность полиэтилентерефталата ориентированного (ПЭТФ) царапин режущим инструментом ребром вперед в различных направлениях под нагрузкой на режущий инструмент в пределах 500-1000 г. Используют оптический микроскоп для изучения зон деформирования, возникающих вокруг царапин. Определяют твердость и анизотропию микроструктурного состояния исследуемого ПЭТФ. Фиксируют анизотропию, исходя из разницы выявленной организации элементов в царапинах, нанесенных в разных направлениях и из разницы деформируемости структурных элементов вдоль царапины или в различных царапинах. Осуществляют количественную оценку структурной анизотропии макроэлементов в подповерхностных слоях. Режущий инструмент выполняют в виде стержня переменного сечения из закаленной стали. Цилиндрическая часть переходит в коническую. Вершину конуса развальцовывают и полируют. Кромку развальцованной части используют как режущую часть инструмента при царапании исследуемого материала. Данный способ выбран за прототип.

Недостатки способа:

- способ ограничен в получении информации - определяют анизотропию и микротвердость на основании наличия вскрытых слоев в царапинах макроэлементов структуры. Для исследования микроструктурного состояния элементов этого недостаточно. Материал многослоен, с разной степенью кристаллизации в марках ПЭТФ и дефектности;

- способ не позволяет исследовать организацию элементов структуры в объеме материала, что ограничивает функциональные возможности;

- способ не позволяет режущему инструменту выявить микроструктуру в макроэлементах в плоскости ориентации слоев, тем более в верхнем слое.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей способа с получением достоверной, более полной информации о макро- и микроструктурном состоянии в слоях исследуемого полиэтилентерефталата.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе обработки образцов из полиэтилентерефталата, заключающемся в нанесении на поверхность образца царапин режущим инструментом под нагрузкой режущего инструмента в пределах 500-1000 г в различных направлениях, выявлении элементов надмолекулярной структуры в обработанных царапиной слоях, использовании оптического микроскопа при фиксировании и исследовании полученной информации, согласно изобретению в качестве режущего инструмента используют квадратную пластину из закаленной стали, наносят царапины режущим ребром послойно параллельно поверхности образца плоскостью пластины вперед, с наклоном плоскости к поверхности образца под углом 60±5° в разных направлениях до выявления микроструктуры в макроэлементах, дополнительно образец надрезают и отрывают надрезанные части с образованием излома на обеих поверхностях, вновь образованных при отрыве, выявляя организацию элементов в слоях надмолекулярной структуры в объеме образца.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что оно обладает новизной и имеет изобретательный уровень, так как неизвестно и явным образом не следует из уровня техники. Оно промышленно применимо, так как может быть использовано для контроля качества продукции из полиэтилентерефталата, которая используется во многих отраслях промышленности.

Способ дополняет информацию, полученную в патенте № 2330260, позволяя получить вначале данные об анизотропии и микротвердости, исследуя элементы надмолекулярной структуры в образце в царапине (выполненной режущим инструментом ребром вперед под углом 45°), которая вскрывает несколько слоев в образце при нагрузке 500-1000 г.

Исследуемый материал фиксируется в оптическом микроскопе, так как величина элементов структуры и их взаимосвязь это позволяет. Дополнительную информацию получают благодаря использованию режущего инструмента, выполненного в форме квадратной пластины из закаленной стали, что обеспечивает наличие у нее восьми режущих ребер, придающих требуемые режущие свойства и длительную работоспособность при большой нагрузке (500-1000 г) на режущий инструмент при царапании.

Наносят царапины параллельно поверхности образца в любом направлении плоскостью пластины вперед и наклоном к поверхности образца под углом 60±5°. Тем самым обеспечивается плоское царапание по снятию слоев на поверхности.

Особенность такой обработки образца в том, что она имитирует однонаправленный процесс приготовления шлифа, который никогда не проводился на полиэтилентерефталате из-за сложности обработки. Оказалось, что когда наносят царапину, царапины плоскостью пластины вперед без травления выявляют не навалы вокруг царапины, а элементы первого слоя. В царапине же обнаруживаем плоскую картину микроструктуры в макроэлементах. Макроэлементы же демонстрируют свои границы и плотность связи между ними. Такая обработка поверхности образца обеспечивает без травления сведения о микроструктурной организации в макроэлементе. Поэтому ее фиксируют при увеличении в 200-1000 раз и больше, что обеспечивает иной уровень информации об исследуемом материале. Обработка образца в плоскости образца с выявлением структуры элементов дополняют информацию о материале. А также позволяет четко фиксировать дефекты в структуре и в образце из заданных участков в изделии.

Фиксируют выявленную картину в царапине в оптическом микроскопе, используя источник света - проходящий свет (материал прозрачный, не травлен, имеет толщину в изделиях и соответственно в образцах небольшую), то есть на просвет, обеспечивая максимальную точность изображения и контраст.

Расширяет функциональные возможности способа и то, что сложно обрабатываемый полиэтилентерефталат без травления информирует о структурном состоянии в слоях в объеме образца при получении излома в торце. При этом образец надрезают перпендикулярно поверхности, а затем доотрывают до конца с образованием двух поверхностей с изломом. Выявленная картина - укладка в слоях элементов структуры, их связь и возможные дефекты - фиксируется и исследуется (параметры элементов, прочность связей и т.д.).

В целом, получают полную информацию о структурном - надмолекулярном состоянии исследуемого материала в результате поэтапной обработки.

Способ проиллюстрирован на фиг. 1-9.

На фиг.1 показана схема нанесения царапины режущим ребром послойно параллельно поверхности образца плоскостью пластины вперед, с наклоном плоскости к поверхности образца под углом 60±5° вдоль поверхности образца.

На фиг.2 - макроэлементы структуры первого слоя полиэтилентерефталата в царапине (ПЭТФ марки ПНЛ-17) с разных участков поверхности.

На фиг.3 - микроструктура макроэлементов в царапине вдоль ориентации слоев полиэтилентерефталата (ПЭТФ марки ПНЛ-1) с разных участков поверхности.

На фиг.4 - микроструктура макроэлементов в царапине перпендикулярно ориентации слоев (ПЭТФ марки ПНЛ-1) с разных участков поверхности.

На фиг.5 - микроструктура макроэлементов в царапине вдоль ориентации слоев полиэтилентерефталата (ПЭТФ марки ГР-175) с разных участков поверхности.

На фиг.6 - микроструктура макроэлементов в царапине перпендикулярно ориентации слоев (ПЭТФ марки ГР-175) с разных участков поверхности.

На фиг.7 - дефектность макроэлементов и микроструктуры ПЭТФ с разных участков поверхности.

На фиг.8 - макроэлементы структуры в слоях - излом (ПЭТФ марки ПНЛ-1).

На фиг.9 - макроэлементы структуры в слоях - излом (ПЭТФ марки ГР-175) с разных участков поверхности.

Способ осуществляют следующим образом.

Контролируют микроструктурное состояние исследуемого изделия. Для этого используют изделие в виде емкости для напитков и пленку, используемую для защиты кабелей от воздействия внешних токов и коррозии их.

Материалом для исследования служит полиэтилентерефталат (ПЭТФ) в этих изделиях. ПЭТФ многослойный, кристаллизующийся термопласт. Он прозрачен в изделии и очень трудно обрабатываем и механически, и химически. Вероятно, поэтому не встречались на практике случаи приготовления шлифов на поверхности образцов из ПЭТФ с получением плоской картины микроструктуры ПЭТФ. Без этих сведений нет полноты информации о структурной организации элементов и возможности получения, например, информации и о анизотропии более высокого уровня - микроструктуры в макроэлементах, чем об анизотропии макроэлементов (прототип).

Заявленный способ позволил получить информацию микроструктуры «как в шлифе» и таким образом расширить функциональные возможности обработки известного - прототипа и других способов обработки ПЭТФ царапанием. Для этого нарезают образцы из емкости и пленки размером 50 мм в длину и 50 мм в ширину из мест в изделии, которые проблемные или из мест, различающихся степенью деформации. Изделия - емкость для напитков (марки ПНЛ-1 - ТУ 6-05-221-76) и пленка для кабелей (марка ГР-175 ТУ 6-05-1885-77) имеют разную степень кристалличности и, следовательно, деформируемости, и отличаются параметрами макро- и микроэлементов структуры. Толщина пленки 50 мкм, а емкости 200 мкм.

В связи с тем, что ПЭТФ сложнообрабатываем «плоское» царапание поверхности образцов с выявлением плоского изображения в макроэлементах микроструктуры в них удалось реализовать неожиданно. Для этого используют режущий инструмент из закаленной стали 45Х или 30ХГСА. При этом, он имеет форму квадратной пластины с восьмью режущими ребрами. Наносят царапины режущим ребром послойно параллельно поверхности образца плоскостью пластины вперед, с наклоном плоскости к поверхности образца под углом 60±5° (фиг. 1) с выявлением микроструктуры, как для емкостей, имеющих большую толщину, пластичность и деформируемость, так и для пленки, имеющей малую толщину и деформируемость. Больший и меньший угол наклона режущего инструмента не эффективен. Нагружают режущий инструмент в пределах 500-1000 г в зависимости от степени кристалличности (для пленки для кабелей режущий инструмент нагружают в пределах 800-1000 г, а для емкости для напитков - 500-700 г). Меньшая нагрузка реализует эффект легкого царапания, не выявляющего ничего из задаваемого в обоих материалах (емкость, пленка). Большая нагрузка - не дает возможность выявления микроструктуры элементов в плоскости и по слоям, так как разрушает образец. Режущий инструмент выполняют в форме квадратной пластины для образования острых ребер, при этом, устанавливают плоскостью пластины вперед, с наклоном плоскости к поверхности образца под углом 60±5°. Это в литературе не рекомендовано (Ю.С.Боярская. Деформирование кристаллов при испытаниях на микротвердость. Кишинев. Изд-во «Штииницы». 1978 г., с. 82), а в нашем случае - это находка. Благодаря выполнению режущего инструмента с такими параметрами удалось получить более полную информацию о структурном состоянии изделий из полиэтилентерефталата в плоскости, расширив возможности способа.

Затем выявленную в элементах надмолекулярную структуру фиксируют в оптическом микроскопе при увеличении в 200-1000 раз в зависимости от размера макроэлементов и микроструктуры в них (фиг. 2-6, 9). Исследуют информацию, полученную при освещении образца в проходящем или отраженном свете в зависимости от четкости изображения в них.

Царапины наносятся без навалов материала по краям, как ранее (патент 2330260), а появлением элементов структуры в первом слое (фиг. 2). Выявленную картину размещения слоев первого слоя фиксируют и исследуют на оптическом микроскопе Альтами МЕТ-5 в отраженном свете.

Затем выявляются элементы и микроструктура в них нижележащем слое.

В емкости полиэтилентерефталат в различных направлениях микроструктуры в элементах представлен марки ГР-175 на фиг. 3 (вдоль ориентации структурных элементов) и на фиг. 4 - перпендикулярно ориентации структурных элементов).

В пленке из полиэтилентерефталата выявляют в подповерхностном слое вдоль ориентации слоев микроструктуру в элементах (фиг. 5), а в слое перпендикулярно ориентированному - на фиг. 6.

Исследуют полученную информацию, дают качественную и количественную оценку (по деформационной составляющей определяют анизотропию микроструктуры в элементе, анизотропно - при сравнении в разнонаправленных царапинах микроструктуры, толщину слоев, элементов, размер элементов, дефектность микроструктуры и элементов (фиг. 7).

Завершающим этапом обработки образцов является этап получения излома в торцевой части образца. Для этого образец нарезают перпендикулярно плоскости образца и доотрывают до конца одну часть от другой. Получают поверхности с изломом. В изломе фиксируем состояние элементов в слоях, их толщину, дефектность, укладку, связь между элементами и слоями (фиг. 8-9). Исследуют полученную информацию в объеме материала (по толщине образца), дополняя информацию о структурном состоянии в целом и таким образом расширяя знания о состоянии контролируемого участка изделия, из которого выполнен образец.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:

- способ позволяет расширить возможность выявления структурной организации полиэтилентерефталата, независимо от степени ориентации структурных элементов, марки изделия, степени кристалличности его за счет фиксации слоев в изломе и выявления микроструктуры элементов в плоскости образца и послойно;

- способ позволяет без травления, механически режущим инструментом, используя квадратную пластину из закаленной стали, нанося царапины режущим или режущими ребрами (с их сменой) послойно параллельно поверхности образца плоскостью пластины вперед, с наклоном плоскости к поверхности образца под углом 60±5°, обнаружить микроструктуру элементов ПЭТФ, начиная с первого слоя в плоскости образца, что ранее было невозможно, так как материал труднообрабатываемый и, в основном, ПЭТФ в изделии - это тонкие пленки или тонкие пластины;

- предложен новый способ выявления и исследования ПЭТФ, сочетающий одновременно однонаправленное шлифование поверхности образца и выявление его микроструктуры в плоскости образца.

Настоящее изобретение относится к области исследования структурного состояния полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Способ обработки образцов из ПЭТФ включает нанесение на поверхность образца царапин режущим инструментом под нагрузкой режущего инструмента в пределах 500-1000 г в различных направлениях, выявление элементов надмолекулярной структуры в обработанных царапиной слоях, использование оптического микроскопа при фиксировании и исследовании полученной информации. В качестве режущего инструмента используют квадратную пластину из закаленной стали. Царапины режущим ребром наносят послойно параллельно поверхности образца плоскостью пластины вперед, с наклоном плоскости к поверхности образца под углом 60±5° в разных направлениях до выявления микроструктуры в макроэлементах. Образец надрезают и отрывают надрезанные части с образованием излома на обеих поверхностях, вновь образованных при отрыве, выявляя организацию элементов в слоях надмолекулярной структуры в объеме образца. Технический результат – расширение функциональных возможностей способа с получением достоверной более полной информации о макро- и микроструктурном состоянии в слоях исследуемого полиэтилентерефталата. 9 ил., 1 пр.

Способ обработки образцов из полиэтилентерефталата, заключающийся в нанесении на поверхность образца царапин режущим инструментом под нагрузкой режущего инструмента в пределах 500-1000 г в различных направлениях, выявлении элементов надмолекулярной структуры в обработанных царапиной слоях, использовании оптического микроскопа при фиксировании и исследовании полученной информации, отличающийся тем, что в качестве режущего инструмента используют квадратную пластину из закаленной стали, наносят царапины режущим ребром послойно параллельно поверхности образца плоскостью пластины вперед, с наклоном плоскости к поверхности образца под углом 60±5° в разных направлениях до выявления микроструктуры в макроэлементах, дополнительно образец надрезают и отрывают надрезанные части с образованием излома на обеих поверхностях, вновь образованных при отрыве, выявляя организацию элементов в слоях надмолекулярной структуры в объеме образца.