Способ определения дипольных моментов в полимерах Советский патент 1992 года по МПК G01N27/22 

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 ори- ентационного 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 определения эффективного дипольного момента в полимерах по измерениям статической диэлектрической проницаемости в высокоэластическом состоянии. Статическую диэлектрическую проницаемость гс 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 проницаемости, величину которой находят из круговых диаграмм для дипольно-сегментального процесса релаксации.

Пренебрегая атомной поляризацией для расчета эффективного дипольного момента, используют уравнение Онзагера

0.0128-1018 У т М (fc -n )(2лГ+пУ.

- -

р

fcK+2

ч

Јь О Ю 00

(1)

где М - молекулярная масса мономерного звена;

р- плотность полимера;

п - коэффициент рефракции при температуре Т.

Известный способ измерения эффективных дипольных моментов, приходящихся на мономерное звено, трудоемок из-за 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.

Предлагаемый способ определения дипольных моментов в полимерах благодаря отсутствию влияния 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 Ј без воздействия внешнего электрического поля, дополнительного измерения коэффициента диэлектрических потерь Ј, плотности исследуемого вещества и среднего квадрата напряжения тепловых электрических флуктуации, существующих на зажимах электродов преобразователя, и вычисления эффективного дипольного момента, приходящегося на мономерное звено, по формуле

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

эфФ VM &Я D2Г

р 32 NA d Af

где ЕО - электрическая постоянная, равная 8, Ф/м; ,022-1023 - постоянная Авогадро; D - диаметр потенциального электрода конденсаторного первичного преобразователя, м; d - толщина образца полимера, м; f - частота измерений, Гц; Af- полоса частот, в которой измеряется средний квадрат напряжения электрических флуктуации, Гц; г - средний квадрат напряжения тепловых электрических флуктуации полимера, В2; М - молекулярная масса мономерного звена, кг/моль; р - плотность, кг/м3.

Поместим полимерный диэлектрик между обкладками конденсатора, образованного дисковыми электродами. Средний квадрат напряжения тепловых электрических флуктуации на его зажимах для области частот hf« КвТ равен

(1

,ИэфФ

М &п D2 р 32 NA d

Для определения Ј и е анализируемого материала, обусловленных лишь внутрен- ним электромагнитным полем, его помещают в трехэлектродный первичный диэлькометрический преобразователь с диаметрами электродов, выбранными с условием .

(1 + 2Ј-Ke--l)(Ј )2-Ke)23 Q-2

e e

(2)

U2

8Кв d Af

еол2 D2 f (Ј )2+(O2

T, (3)

-34

rfleh 6,6310 Дж.с - постоянная Планка;

КБ 1,38 1СГ23 Дж/К - постоянная Баль- цмана.

В отсутствие внешнего электрического поля средний квадрат дипольного момента определяется следующей формулой, вытекающей из флуктуационно-диссипационной теоремы

2 М Ер (1 +2 е )(е -1) к т

р 4лМде КБ1

(4)

Выражая температуру Т образца полимера через средний квадрат напряжения электрических флуктуации, для эффективного дипольного момента получаем выражение

n+2Ј-)(e -1)(g )2+(E )23 Tft. (5)

ДТс е

Каждый датчик подключают к соответствующему входу одного из трех предварительных малошумящих усилителей с идентичными характеристиками. Подключение производят кабелями с известными емкостями Сю. Ска, Скз при условии .

При этом для каждой системы датчик - предварительный усилитель можно записать уравнения, определяющие средний квадрат флуктуационного напряжения Ui , где ,2,3, поступающего на вход соответствующего усилителя

npnbx 2f Ј Ј0 л 02/4с1; f(CBX 1+ + CMi+CKiH-tffCo;

Ь1 2 ЛГт(Свх2+Сш+Ск2) 2JTfCl ; Ь2 (CBx3+CM3+CK3)27TfC2,

где Тх - средний квадрат тока тепловых электрических флуктуации полимера; РВх - средний квадрат тока электрических флуктуации предварительного малошумящего усилителя; дх - активная и Ьх - реактивная проводимости первичного измерительной емкостного преобразователя; двх - активная входная проводимость предварительного усилителя; СВх - его входная емкость; См - емкость монтажа; Ь0, bi, ba входные реактивные проводимости усилителей. , Флуктуационные напряжения Ui2, U22, Уз2 определяются как

Ui2(Ui1/Kyi)2-i2yi;

U22(U21/Ky2)2-E2y2; Т7зЧиз1/Ку3)

(7)

где Ui , U2 , Us напряжения, измеренные на выходах соответствующего канала усиления; КУ1, Ку2, Куз - коэффициенты усиления каналов измерительной системы; Е У1, Ё у2, §2уЗ - собственные шумы входных предварительных усилителей, приведенные ко вхоДУНа основании вышеизложенного диэлектрические характеристики полимера е и е определяются по формулам

2 C0d

Eotttf

х 1 ( 1 А ) + A U§ сЗ/С2 - Ц2; cVc2 . ,дч U2 Cl/Co - U(1- A ) - A U§ C2/C0

А

иЗ-Ц2: U2-U§

(9)

9х V U3 ( Ьх + D2 Ґ - 0 ( Ьх + bo Y - QBX:

и2 - и

tg (5 gx/bx; е г tg д .

(Ю) (11)

При надлежащем выборе характеристик предварительного усилителя

Ю

(12)

напряженней будет совпадать с напряжением U , определяемым формулой (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 электромагнитным экраном, и подключается к входу измерительного блока 3, включающего три канала корреляционного усиления(предварительное усиление, фильтрация, перемножение и интегрирование). С выхода блока 3 сигналы - средние квадраты флуктуацион- ных напряжений От2, 02 и Оз . поступают на блок 4 аналого-цифрового преобрэзования. Измерительная информация, представленная двоичным кодом поступает на вход программируемого устройства 5 ввода-вывода параллельной информации в микроЭВМ б. Последняя управляет также

температурным режимом термокамеры 2 с помощью блока 7, состоящего из нагревателей и измерителя температуры. Визуальный контроль средних квадратов флуктуацион- ных напряжений осуществляется с помощью цифрового вольтметра 8

Формула изобретения

Способ определения дипольных момен- тов в полимерах, заключающийся е том, что помещают исследуемый материал в емкостный первичный 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 флуктуации, с учетом которых вычисляют дипольный момент по формуле

Ум боТГ D

rtrt

р 32 NA d

f-°2

где М - молекулярная масса полимера, кг/моль:

р - плотность, кг/с3;

Ја - электрическая постоянная;

NA - число Авогардо; D - диаметр потенциального электрода первичного преобразователя, м;

d - толщина образца, м;

1+2Е-)(Е--П((Ј)2 е е

f - частота измерений, Гц;

О2 - средний квадрат напряжения тепловых электрических флуктуации. В2;

Af - полоса частот, в которой производится измерение f, гц;

е , Е - диэлектрическая проницаемость и коэффициент диэлектрических потерь.