г. Москва, ул. Ленинская слобода, д. 19,
БЦ "Omega Plaza", 2-й эт., оф. № 2040

NIST изучает полимерные компаунды для ремонта водопроводных труб

  • 10.12.2012

При помощи передового метода "химической микроскопии", разработанного Национальным институтом стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology; NIST), американские исследователи смогли своими глазами наблюдать особенности структуры смешанных полимеров и доказали возможность создания высоко детализированных снимков, демонстрирующих особенности их молекулярного строения на субмикронных уровнях. Данная технология имеет первостепенное значение с точки зрения разработки отдельных полимеров с необычными свойствами, которые делают их практическое применение в промышленности очень выгодным. В качестве примера специалисты NIST привели полиэтиленовые компаунды, которые используются для ремонта изношенных водопроводных труб.

NIST изучает полимерные компаунды для ремонта водопроводных труб
Составное изображение полиэтиленового компаунда, которое было создано с помощью спектрометра BCARS. Полимер LLDPE показан красным цветом, а HDPE с дейтерием водорода - зеленым.

Полиэтилен является одним из наиболее широко используемых полимеров в мире, а масштабы его производства постоянно растут. Материал активно используется во многих бытовых продуктах (например, в бутылках для жидкостей), но исследования NIST будут касаться применения данного материала в коммунальном хозяйстве. Речь, в частности идет, о водопроводных трубах. Старение и постепенное изнашивание инфраструктуры водоснабжения является очень актуальной проблемой. По данным представителей Агентства по охране окружающей среды США (Environmental Protection Agency; EPA), в североамериканском государстве ежегодно фиксируется более 240 тысяч порывов водопровода. В результате теряется 6435 млрд. литров воды в год, а годовые затраты налогоплательщиков на ликвидацию последствий порывов доходят до 2,6 млрд. долл. США.

Полиэтиленовые трубы в потенциале помогут найти решение данной проблемы. Они являются относительно дешевыми в производстве, установка таких труб также стоит недорого. В случае полиэтиленовых труб проблема коррозии отходит на второй план. При идеальных условиях эксплуатации прогнозируемый срок службы подобных изделий может достигать целого века. К сожалению, ныне действующие стандарты в области тестирования подобных продуктов не оговаривают оценку срока их службы в реальных условиях эксплуатации, особенно это актуально для технологии сварки швов в трубах. Эта неопределенность обернулась замедлением перехода коммунальщиков на использование полиэтиленовых труб большого диаметра.

Промышленные полиэтиленовые трубы стандартного образца создаются на базе смеси двух различных форм полимера: среднетяжелый полиэтилен высокой плотности (high-density polyethylene; HDPE) и линейный полиэтилен низкой плотности (linear low-density polyethylene; LLDPE) с высоким молекулярным весом. Специалист NIST в области материаловедения Янг Чен Ли отмечает, что сочетание этих двух материалов значительно повышает жесткость полимера, а также его прочность и стойкость к разрушению.

Проблема при прогнозировании срока службы труб из подобных материалов заключается в недостаточно точном понимании их природы. Разработка необходимых прогнозных моделей была затруднена отсутствием у ученых точного понимания механизма взаимодействия и смешивания молекул HDPE и LLDPE друг с другом. В плане химических показателей и строения эти вещества настолько близки, что изучение изображений, полученных с помощью рентгеновских или электронных микроскопов, (данные методы наиболее часто используются учеными при анализе молекулярной структуры тех или иных веществ), не позволяет найти различия между ними с достаточной легкостью.

Команда NIST использует технологию на базе одного из вариантов рамановской спектроскопии (спектроскопия комбинационного рассеяния света), которая позволяет выделять в общем объеме различные виды химических веществ и определить их количества. Достигается это за счет анализа частот, связанных с различными колебательными модами (форма / вид колебаний) каждой молекулы. Точное сочетание этих частот представляет собой отличительный "отпечаток пальца" для любой отдельно взятой молекулы, который в данном случае можно получить без помощи флуоресцентной маркировки. Спектроскопия комбинационного рассеяния света с использованием сфокусированных лазерных пучков была взята в качестве основы для так называемого химического микроскопа. Подобное устройство способно создать детальное изображение структуры сложных объектов путем составления карты химического состава в каждой точке трехмерного пространства.

Прибор NIST называется "BCARS" (broadband coherent anti-Stokes Raman scattering - спектрометр широкополосного когерентного антистоксова комбинационного рассеяния света). Спектрометр использует пару лазеров для сбора данных о рамановском рассеянии света как минимум в 10 раз быстрее, чем другие системы визуализации комбинационного рассеяния. Эта особенность имеет первостепенное значение в свете огромного объема данных, которые должны быть собраны, чтобы ученые могли понять природу вышеописанных хорошо структурированных компаундов.

Еще одной особенностью метода является возможность замены дейтерия ("тяжелого водорода") в составе HDPE на атомы водорода. Дейтерий существенно сдвигает спектр комбинационного рассеяния света, что позволяет легко различать две составляющие компаунда. Использование механизма контроля поляризации света в спектрометре позволяет получить дополнительную информацию о локальной ориентации кристаллов молекул в полимере. Полученные на данный момент изображения демонстрируют образование микроскопических сферических участков частичной кристаллизации, где наибольшая концентрация LLDPE наблюдается ближе к центру.

"Созданный нами механизм быстрой трехмерной химической визуализация особенно полезен при изучении микроструктуры полимерных материалов", говорит Ли. В настоящее время группа ученых использует спектрометр BCARS, чтобы выявить взаимосвязь между микроскопическими структурами и характеристиками деформации / плавления полиэтиленовых труб.
Поделиться с друзьями!
Появились вопросы?

Вы можете задать любой вопрос на тему сертификации вашей продукции.