Н.Н. Матвеев, Н.Ю. Евсикова., В.В.Постников, Н.С. Камалова

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДРЕВЕСИНЫ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА.

 

Воронеж, Россия, Воронежская государственная академия.

 

Как известно полимерным композитам присуще электретное состояние, характеризующееся наличием поверхностных зарядов и возникающее при воздействии на полимертаких внешних факторов, как электрическое поле. Электреты являются постоянно поляризованными диэлектриками, имеющими на противоположных поверхностях заряды разных знаков, причем последние могут быть только связанными. Физические свойства таких материалов существенно зависят от способов их получения. Поэтому логично предположить, что исследование поляризации сложных полимеров природного происхождения может дать сведения о образовании их структуры.  В последнее время большой интерес вызывает структура древесины, подвергаемой пиролизу, причем многообразие ее свойств связывают с ее происхождением. Натуральное дерево с канальным типом пор (питательные каналы) карбонизируется путем пиролиза. В результате образуется высокопористый биоуглерод, который сохраняет микроструктурные особенности исходного дерева. Подобные конструкции предлагается использовать для создания Cu–C и SiC-керамики, используемых для специальных сварочных швов и соединительных деталей с известными свойствами электропроводности [1].

Физические исследования структуры и свойств таких биокомпозитов как древесина затруднено в силу сложности их состава и биологического происхождения. С развитием физики полимеров стало возможным выработать подход к созданию физических моделей этого сложного природного композита. Натуральную  древесину, вообще говоря, можно моделировать сложным полимерным композитом,  основными компонентами которого являются целлюлоза и лигнин (см., например, работу [2] и литературу к ней). Лигнин - это слабо исследованное не выделяемое в чистом виде вещество, определяющее оригинальные физические свойства древесины. Однако, исследование этих свойств позволяет  отнести его к аморфным высокоэластичным веществам, коэффициент теплового расширения которых  значительно превышает коэффициент расширения кристалла. Поскольку в неоднородном температурном поле лигнин испытывает неравномерное расширение  или сжатие в нем возникает напряжение в направлении неравномерности, равное:, где - неоднородность температуры, - коэффициент расширения лигнина, - коэффициент Юнга лигнина. В силу теплового расширения лигнина пьезокристалл целлюлозы в древесине деформируется.  Причем величина деформации: , где - модуль Юнга целлюлозы в направлении неравномерности температуры. Деформация пьезокристалла в поле спонтанной поляризации будет сопровождаться появлением электрического поля термического происхождения. Для исследования поляризации этого сложного полимера природного происхождения  был выработан способ исследования термополяризационных свойств натуральной древесины основанный на принципах работы электрического конденсатора. Измерения разницы потенциалов, возникающей в тонком древесном слое при возрастающей температуре одной из поверхностей слоя использовалась установка с универсальной ячейкой (см. рис.1), состоящей из двух измерительных электродов Исследуемый образец в виде тонкого  среза толщиной ( до l₀ ~ 1000 мкм) помещался между ними. Верхний электрод с теплоотводом (3), с помощью винтов прижимается к образцу. Массу  этого электрода можно изменять, тем самым меняя величину неоднородности температуры по толщине образца. Температура нижнего электрода изменялась по линейному закону , где β - скорость изменения температуры. В дальнейшем оказалось, что разность потенциалов, снимаемая с электродов напрямую зависит от степени кристалличности целлюлозы в древесине, а следовательно и от степени упорядоченности ее структуры. Поскольку растительную целлюлозу относят к фибриллярным кристаллам степень кристалличности целлюлозы на расстоянии x от центра кристаллизации при разных температурах поверхности образца можно представить в виде:

 

.                      (2)

Здесь G – скорость нарастания поля кристалличности, k_D – коэффициент диффузии некристаллизующихся компонентов, n₀ – концентрация кристаллитов в центре кристаллизации,  – степень кристалличности целлюлозы в однородном температурном поле [4]. Тогда разность потенциалов снимаемая с электродов, прямо пропорциональна степени кристалличности целлюлозы и оценивается из отношения[5]:

                                                                (2)

Здесь U – разность потенциалов, экспериментально измеряемая в слое, а U_cr – разность потенциалов, которую можно рассчитать из данных о пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств монокристалла целлюлозы. Данный подход позволит получить численную оценку степени кристалличности целлюлозы различных пород, а следовательно и процент графитообразований биоуглероде после ее пиролиза.

 

Литература.

1.  Попов В.В.,Орлова Т.С., J. Ramirez-Rico Особенности электрических и гальваномагнитных свойств биоуглерода дерева сосны// Физика твердого тела, 2009, том 51, вып. 11,С 2118-2122.

2.  Матвеев Н.Н., Постников В. В., Саушкин В. В. Поляризационные эффекты в кристаллизующихся полимерах. Воронеж: ВГЛТА, 2000. С. 28.

3.  Евсикова Н. Ю., Матвеев Н. Н., Постников В. В., Камалова Н. С., Лисицын В. И. // Материалы V Междунар. научн.-техн. школы-конференции «Молодые ученые – 2008». М.: МИРЭА, «Энергоатомиздат», 2008. Ч. 3. С. 72

4.  Вундерлих Б. Физика макромолекул. М.: Мир, 1976. С. 350

5.  , ПостникоВ.В., Евсикова Н.Ю., Камалова Н.С., Матвеев Н.Н Степень кристалличности целлюлозы и термическое сканирование // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: Материалы  Международной конференции, Москва. Изд-во «Энергоатомиздат», 2009 Т.1  С.197-199