Naukowcy zbudowali urządzenie, które bada strukturę polimerów
Nowy układ pomiarowy do badania struktury polimerów opracowali naukowcy z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk. Badacze udoskonalili – wykorzystywaną już wcześniej w urządzeniu – metodę depolaryzacji światła. Badanie z jej wykorzystaniem dostarcza materiałoznawcom informacji, jak modyfikować strukturę polimerów, by zmieniać ich właściwości fizyczne i chemiczne. W projekcie uczestniczyli naukowcy z Pracowni Polimerów IPPT – prof. Andrzej Ziabicki, dr inż. Beata Misztal-Faraj, doc. dr hab. Paweł Sajkiewicz, mgr inż. Arkadiusz Gradys i technik Zbigniew Zawadzki oraz dr Grigori Savitsky i dr Aleksandr Bonchyk z Instytutu Stosowanych Problemów Mechaniki i Matematyki Narodowej Akademii Nauk Ukrainy we Lwowie.
Jak mówi kierujący badaniami prof. Andrzej Ziabicki z Pracowni Fizyki Polimerów, metoda depolaryzacji światła jest wykorzystywana do badania struktury polimerów od lat. Naukowcy z IPPT dokonali jednak zmian w sposobie jej zastosowania w urządzeniu umożliwiając m.in. bezpośrednią rejestrację stopnia depolaryzacji światła.
Metoda depolaryzacji światła jest jedną z wielu metod, które umożliwiają poznanie struktury wybranego polimeru. Inne – takie jak kalorymetria (pomiar własności cieplnych) czy pomiar ugięcia promieni rentgenowskich – są powolne.
"Szczególną cechą polimerów, w porównaniu z metalami, czy materiałami ceramicznymi, jest wpływ wewnętrznej struktury na własności fizyczne. Okazuje się, że ten sam polimer, w zależności od tego, jak układają się w jego wewnętrznej przestrzeni molekuły, może być miękki lub twardy, mocny lub słaby. To inaczej niż w przypadku metali, gdzie o własnościach decyduje przede wszystkim procentowy skład chemiczny" – wyjaśnia naukowiec.
Badanie z wykorzystaniem metody depolaryzacji światła umożliwia przewidywanie, jak polimer będzie się zachowywał podczas określonych procesów technologicznych. Dzięki tej wiedzy materiałoznawcy mogą tak modyfikować strukturę polimeru, by zmieniać ich właściwości fizyczne i chemiczne. "Naukowcy mogą w ten sposób zmieniać np. wytrzymałość mechaniczną czy odporność termiczną polimeru, określającą w którym momencie materiał mięknie i nie nadaje się do pewnych zastosowań" – tłumaczy prof. Ziabicki.
Na czym polega depolaryzacja światła? "Jeśli światło przepuścimy przez polaryzator – filtr polaryzacyjny lub pryzmat – wtedy drgania fali świetlnej ograniczają się do jednej płaszczyzny" – opowiada prof. Ziabicki. Metoda depolaryzacji światła jest czuła na zmiany strukturalne, które zachodzą w polimerach pod wpływem temperatury, ciśnienia czy szybkości chłodzenia.
"Jeżeli przez polimer, który nie wykazuje aktywności w stosunku do drgań światła, przepuścimy światło spolaryzowane, a na końcu tego układu ustawimy drugi filtr polaryzacyjny (analizator) pod kątem prostym do polaryzatora, wtedy światło wygasza się – mówi naukowiec. – Jeśli jednak w polimerze znajdują się drobne kryształki aktywnie oddziałujące z falą świetlną, to stan polaryzacji wywołany polaryzatorem ulegnie częściowemu cofnięciu. W wyniku takiego procesu – depolaryzacji – część światła przechodzi przez analizator i możemy zmierzyć jego natężenie. Natężenie światła przepuszczonego przez układ jest więc miarą stopnia depolaryzacji i – pośrednio – zawartości kryształków w próbce polimeru. W ten sposób możemy zaobserwować, kiedy, w jakich warunkach i z jaką szybkością struktura polimeru się zmienia".
Zaletą tej metody jest szybkość pomiaru, np. w odróżnieniu od metody pomiaru kalorymetrycznego, mierzącej ciepło topnienia polimeru. Czas otrzymania wyniku jest ważny, ponieważ naukowców interesują zmiany, jakie następują podczas procesów technologicznych, a te muszą być na bieżąco monitorowane. "Chcielibyśmy śledzić zmiany struktury polimeru w rozmaitych warunkach, ponieważ to daje nam wiedzę, która pozwala na opracowanie różnych procesów technologicznych" – opowiada prof. Ziabicki.
Układ pomiarowy służący do badania zmian struktury pozwala na bezpośredni i ciągły pomiar stopnia depolaryzacji światła. "Stopień depolaryzacji zawarty jest między zerem – przy braku uporządkowanych obszarów polimeru (krystalitów) i jednością – dla pełnej depolaryzacji – tłumacz prof. Ziabicki. Nasza aparatura pozwala na rejestrowanie ciągłe tych wyników i ich bieżący odczyt".
Drugą z zalet tej metody jest czystość pomiaru. Jak wyjaśnia naukowiec oprócz efektu depolaryzacji podczas przechodzenia światła przez próbkę polimeru obserwuje się efekty rozproszenia i pochłaniania światła przez struktury, które nie są kryształami i nie powodują depolaryzacji. A zatem, mierzone natężenie światła przechodzącego przez układ nie jest tylko czystym efektem depolaryzacji – ten efekt jest zaburzony przez pochłanianie i rozproszenie. Zbudowaliśmy układ, w którym efekt rozproszenia jest automatycznie uwzględniany. Otrzymujemy więc stopień depolaryzacji niezależny od rozproszenia i pochłaniania".
Od wielu lat naukowcy pracują nad zebraniem danych dotyczących stopnia rozproszenia i pochłaniania w różnych polimerach. Dane te uzupełniają informacje o strukturze materiału. "Obecnie mierzymy stopień depolaryzacji w sposób niezakłócony ewentualnymi zmianami rozproszenia, a będziemy jeszcze rejestrować wielkość rozproszenia, równolegle ze stopniem depolaryzacji" – informuje naukowiec.
Na razie urządzenie jest wykorzystywane w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie. Naukowcy mają nadzieję, że po opatentowaniu znajdzie zastosowanie w innych placówkach naukowych.
Badania teoretyczne i dotyczące konstrukcji układu pomiarowego były finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz współpracy naukowej pomiędzy Polską Akademią Nauk i Narodową Akademią Nauk Ukrainy. (PAP – Nauka w Polsce, Bogusława Szumiec-Presch, agt)
Zaloguj się Logowanie