Полимерные материалы для экспериментальной физики: сборник научных статей

 Федеральное государственное унитарное предприятие 
«Российский федеральный ядерный центр –  
Всероссийский научно-исследовательский институт  
экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ 
 
 
Сборник научных статей 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2023 
1 
 

УДК 678.7 
ББК  35.71 
         П50 
         DOI:53403/9785951505286 
 
 
 
 
П50  Полимерные материалы для экспериментальной физики: Сборник научных 
статей / Автор-составитель А. А. Дорофеев. – Саров: ФГУП «РФЯЦВНИИЭФ», 2023. – 518 с.: ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0528-6 
 
 
В сборник включены статьи, доклады, выступления на конференциях, подготовленные специалистами отдела полимерных материалов технологического 
отделения РФЯЦ-ВНИИЭФ. Сборник содержит информацию по проблемам получения, исследованию свойств и практическому использованию полимерных 
материалов и композиций на их основе. Большое внимание уделено рассмотрению процессов старения полимерных материалов, а также использованию методов математического планирования эксперимента и статистической обработке 
полученных результатов.  
Сборник предназначен для технологов, инженеров и научных работников, а 
также для студентов и аспирантов, интересующихся разработкой технологии 
получения и исследованием свойств новых полимерных материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 678.7 
ББК  35.71 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0528-6 
 
 
 ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2023 
 
 
 
 
 
 
 Дорофеев А. А., 2023 
2 
 

 
 
Предисловие 
 
Почему ВНИИЭФ? Это же ядерный центр! На конференциях коллеги 
иногда задают мне вопрос: «Как получилось, что Вы – профессиональный 
химик, на конференции, посвященной вопросам химии полимеров, выступаете с докладами по работам, выполненным в институте экспериментальной ФИЗИКИ?» Ответ простой – полимерные материалы настолько 
широко проникли в нашу жизнь, что иногда мы даже не замечаем их присутствия. Между тем, такие уникальные качества, как низкая плотность, 
высокая прочность, отличные тепло- и электроизоляционные свойства, 
легкая формуемость и простота получения и многое другое, обеспечили 
полимерам важное, пусть иногда и не решающее, значение как в нашем 
быту, так и при использовании в различных отраслях техники, в т. ч и 
там, где на первый взгляд это кажется странным, например, в экспериментальной физике или, точнее, в «атомной» физике.  
Для многих полимеры неразличимы: говорят «пенопласт», когда речь 
идет о теплоизоляции на основе пенополистирола в виде шариков; «пластик» – «да это все знают», это одноразовая посуда, походные наборы, 
иногда из него делают панели для стен; «пластмасса» – яркий цветной 
материал, из нее еще игрушки делают, ЛЕГО или всякие там трансформеры. Все верно. Только также можно сказать «металл», когда речь идет о 
меди, железе, золоте и т. п., или «дерево», когда подразумевается береза, 
сосна, дуб или даже опилки. С чем это связано? Скорее всего, с тем, что 
бурное развитие полимеров (правильнее сказать, синтетических, искусственных полимеров) началось после Второй мировой войны. До этого 
человечество знало лишь такие природные полимеры, как целлюлоза, 
крахмал, каучук, паутина или выделения шелкопряда. Может быть, не 
очень понимая, как они устроены, но, зная их давно, люди научились использовать эти материалы для своих нужд. 
Однако, новые материалы не были созданы природой, поэтому природа не знает, как с ними «бороться», как их утилизировать. Синтетические полимеры не гниют, не ржавеют, не поражаются микроорганизмами, 
не портятся грызунами, очень медленно разлагаются в земле и воде, на 
воздухе, на них не действует желудочный сок при проглатывании животными. Дошло до того, что в Германии производители дают 100 лет гарантии на канализационные трубы. Впрочем, нас тоже уже не удивляет гарантия в 50 лет на полипропиленовые трубы водоснабжения, которые все 
больше вытесняют металлы из жилищного строительства.  
3 
 

Уникальность полимеров заключается в том, что они представляют 
собой соединения повторяющихся звеньев, как правило, одного элемента – углерода. Звенья могут соединяться в цепочки (макромолекулы) – от 
нескольких десятков до десятков миллионов атомов в цепочке. Отсюда и 
многообразие свойств полимеров. А кроме этого, каждое звено может 
иметь при себе радикал, радикал может быть различен, расположение радикалов может быть различно по длине макромолекулы, радикалы могут 
быть различно ориентированы в пространстве относительно основной 
макромолекулы, радикалы могут иметь различные концевые реакционноспособные группы, которые могут приводить к образованию новых макромолекул… А еще в полимеры с целью модификации свойств можно 
вводить самые разнообразные наполнители, что еще больше увеличивает 
многообразие мира полимеров. 
Полимерный мир настолько велик, что авторы учебников просто не 
успевают вносить изменения. Например, относительно недавно появился 
новый класс полимеров – полиэфирэфиркетоны (PEEK – англ.). Однако, в 
русской Википедии нет даже статьи, посвященной этим материалам, несмотря на то что они уже достаточно широко используются на Западе. 
И, наверно, даже немногие специалисты смогут сказать, какими уникальными свойствами обладает цианэтиловый эфир поливинилового спирта 
(ЦЭПС), так как эта информация еще не внесена в справочники и энциклопедии. 
В этом сборнике сделана попытка показать, насколько широки и многообразны могут быть проблемы, связанные с применением полимеров, 
даже в такой узкой отрасли, как экспериментальная физика. 
Сборник может быть полезен тем, кто интересуется задачами, связанными с технологией получения и свойствами полимерных материалов. 
В предлагаемом сборнике затрагиваются следующие вопросы: 
– технология получения композитных материалов; 
– получение и свойства пенопластов, содержащих наполнители; 
– модные в начале 21 века нанокомпозиты; 
– проблемы старения полимеров; 
– получение полимерных материалов с заданными свойствами; 
– влияние наполнителей на свойства полимеров; 
– получение материалов с использованием методов математического 
планирования эксперимента; 
– свойства полимерных материалов – физико-механические, электроизоляционные, трибологические, теплоизоляционные, экологические; 
– возможности применения полимеров; 
4 
 

– некоторые вопросы истории ВНИИЭФ через призму полимерных 
материалов. 
Все представленные материалы основаны на результатах работ, выполненных составителем лично или в соавторстве. Часть работ была проведена совместно со специалистами ведущих учебных заведений и научных организаций РФ, таких как Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (Москва); Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)  
(С.-Петербург); ОАО «Пластполимер» (С.-Петербург); Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН – ИМАШ РАН (Москва); Институт 
нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН – ИНХС РАН (Москва); Национальный исследовательский нижегородский государственный 
университет им. Н. И. Лобачевского – ННГУ (Н. Новгород); Институт металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева РАН – ИМХ РАН (Москва). 
Большую роль в проведении ряда работ, описанных в настоящем 
сборнике, сыграла финансовая поддержка Международного научнотехнического центра (МНТЦ) (Москва), а также Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) (Москва); программы «Партнерство 
атомных городов» (ПАГ) (Англия); Фонда поддержки предпринимательства им. И. М. Бортника (Москва). 
В конце хочется поблагодарить всех авторов, чьи статьи вошли в этот 
сборник. 
Отдельно выражаю благодарность кандидату технических наук 
М. П. Пасечник за предложения и замечания, высказанные после ознакомления с рукописью, а также кандидату технических наук Т. В. Казаковской за ряд ценных замечаний. 
 
 
 
 
 
 
 
Ведущий научный сотрудник  
технологического отделения  
РФЯЦ-ВНИИЭФ,  
кандидат технических наук  
 
 
 
     А. А. Дорофеев 
 
 
 
5 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Публикации 
в периодической печати 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

 
 
УДК 678.027.968:678.664 
 
 
Влияние некоторых технологических факторов  
на разноплотность пенопластовых заготовок1 
 
Дорофеев А. А., Савкин Г. Г. 
 
ВНИИЭФ (г. Арзамас-16) 
 
Рассмотрено влияние некоторых технологических факторов на 
процесс получения минимальной разноплотности полусферических 
заготовок из пенопласта ППУ-307. 
 
 
Пенопласты в качестве легких теплоизоляционных материалов нашли 
широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Однако, 
считается [1–3], что для пенопластов характерна значительная неравномерность пористой структуры. Разброс значений кажущейся плотности 
зачастую является нежелательным, так как он оказывает большое влияние 
не только на физико-механические свойства пенопласта, но и на его газодинамические характеристики, потому что скорость прохождения ударной волны зависит от плотности материала. Характеристикой этого разброса плотности может служить такой показатель, как разноплотность, 
т. е. разность между максимальным и минимальным значением измерения 
плотности в объеме материала. Анализ данных, проведенный на нашем 
предприятии, показал, что на разноплотность может влиять очень большое число факторов: технологические, конструктивные особенности 
оснастки, физические свойства исходных материалов и др. Таким образом, получение минимальной разноплотности становилось весьма сложным и трудоемким процессом. 
Для решения подобных задач методы математического планирования 
эксперимента дают возможность значительно сократить время, затрачиваемое на его проведение. Применение методов дробного факторного 
                                                          
 
1© Технический прогресс в отраслевой промышленности. Сер. Организация 
производства и прогрессивная технология в приборостроении. 1990. Вып. 5. 
С. 18–19. 
8 
 

эксперимента (ДФЭ) [4] также дает возможность оценить влияние того или 
иного фактора на параметр оптимизации. В качестве плана эксперимента 
была выбрана матрица ДФЭ типа 27–4. Параметром оптимизации являлась 
величина разноплотности, выраженная в процентах. В качестве варьируемых факторов были выбраны следующие: 
Х1 – соотношение I и II смеси в композиции; 
Х2 – соотношение полиизоцианата и воды во II смеси; 
Х3 – соотношение Лапрола и Лапрамола в I смеси (в состав Лапрамола входит катализатор реакции полимеризации); 
Х4 – температура I смеси, °С;  
Х5 – температура II смеси, °С; 
Х6 – температура формы, °С; 
Х7 – время смешения компонентов, сек. 
Уровни варьирования факторов приведены в табл. 1. 
 
Таблица 1 
Уровни и интервалы варьирования факторов 
Уровни 
Факторы 
Х1 
Х2 
Х3 
Х4 
Х5 
Х6 
Х7 
Основной  
уровень (0) 
1: 1,5 
100:0,7 
95:5 
15 
15 
45 
60 
Интервал варьирования 
0,2* 
0,5* 
2,5* 
5 
5 
25 
30 
Верхний уровень (+) 
1;1,7 
100;1,2 
95;7,5 
20 
20 
70 
90 
Нижний уровень (–) 
1;1,3 
100;0,2 
95;2,5 
10 
10 
20 
30 
* Ко второму члену пропорции. 
 
Получение заготовок проводилось по следующей технологии.  
Готовилась I смесь, включающая в себя Лапрол 805Б, Лапрамол 294 и 
пенорегулятор КЭП-2. Компоненты перемешивались в течение 2 минут. 
Готовилась II смесь, включающая в себя полиизоцианат и воду. Компоненты перемешивались в течение 2 минут. Исходные смеси выдерживались при заданных температурах в течение 1 часа. Затем их сливали и 
перемешивали. Сразу после смешения композиция заливалась в форму. 
Форму закрывали и ставили на термообработку при 70 °С. 
При появлении композиции в дренажах дренажные отверстия перекрывались. После термообработки форма разбиралась и определялись 
кажущаяся плотность и разноплотность полученных заготовок. Кажущая9 
 

ся плотность заготовок составляла 623–705 кг/м3. Разноплотность заготовок определяли методом радиометрии по 20 точкам. Диаметр луча составлял 5 мм. 
Для исключения влияния систематических ошибок была проведена 
рандомизация опытов. В каждом опыте ДФЭ выполнено по три параллельных опыта, дополнительно поставлено два опыта на основном 
уровне. После вычисления ошибки параллельных опытов были исключены значения опытов, являющиеся статистическим браком. Матрица планирования и средние значения разноплотности в каждом опыте приведены в табл. 2. 
 
Таблица 2 
Матрица планирования и результаты выполнения опытов 
Номер 
опыта 
Х0 
Х1 
Х2 
Х3 
Х4 
Х5 
Х6 
Х7 
Y 
1 
+ 
– 
– 
– 
+ 
+ 
+ 
– 
6,38 
2 
– 
+ 
– 
– 
– 
– 
+ 
+ 
6,14 
3 
+ 
– 
+ 
– 
– 
+ 
– 
+ 
6,75 
4 
– 
+ 
+ 
– 
+ 
– 
– 
– 
6,36 
5 
+ 
– 
– 
+ 
+ 
– 
– 
+ 
10,74 
6 
– 
+ 
– 
+ 
– 
+ 
– 
– 
8,60 
7 
+ 
– 
+ 
+ 
– 
– 
+ 
– 
5,68 
8 
– 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
2,84 
9 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
7,12 
 
Расчет коэффициентов регрессии привел к следующей математической модели зависимости разноплотности от варьируемых факторов: 
Y = 6,674 – 0,689Х1 – 1,291Х2 + 0,266Х3 – 0,09Х4 – 0,531 Х5 –  
 – 1,439Х6 – 0,056Х7.                                           (1) 
Проверку однородности дисперсий проводили с помощью критерия 
Бартлета, а затем была посчитана дисперсия воспроизводимости параметра оптимизации (Sвоспр = 2,385). Значимость коэффициентов регрессии 
оценивали с помощью t-критерия Стъюдента. С учетом только значимых 
коэффициентов уравнение (1) принимает вид 
Y = 6,674 – 0,689Х1 – 1,291Х2 – 1,439Х6. 
 
    (2) 
10 
 

Проверка адекватности модели, проведенная с помощью F-критерия 
Фишера, показала, что модель адекватна с доверительной вероятностью 
95 %. 
Таким образом, в процессе выполнения ДФЭ была получена математическая модель, адекватно описывающая зависимость разноплотности 
полусферических заготовок от ряда технологических факторов. При этом 
минимальное значение разноплотности равняется 2,84 %.  
В целях возможного улучшения полученного значения разноплотности по уравнению (2) был проведен расчет крутого восхождения. Переменные Х3, Х4, Х5, Х7 фиксировались на следующих уровнях: 
Х3 = 95:5; 
Х4 = 10 °С; 
Х5 = 10 °С; 
Х7 = 30 сек. 
Было проведено 4 опыта крутого восхождения по 3 эксперимента в 
каждом опыте. После отбраковки ошибки параллельных опытов было посчитано среднее значение Y.  
Реализация крутого восхождения оказалась неэффективной, так как 
не удалось улучшить результат, полученный в ходе выполнения ДФЭ. 
Возможно, что близость области оптимума не позволяет приблизиться к 
оптимальному значению Yопт = 0 с помощью методов линейного приближения. Поэтому на данном этапе оптимальными можно считать следующие параметры технологического процесса: 
соотношение I и II смеси в композиции = 1:1,7; 
соотношение полиизоцианата и воды во II смеси = 100:1,2; 
соотношение Лапрола и Лапрамола в I смеси = 95:7,5; 
температура I смеси = 20 °С; 
температура II смеси = 20 °С; 
температура формы = 70 °С; 
время смешения компонентов = 90 сек. 
Таким образом, с помощью метода математического планирования 
эксперимента была построена адекватная линейная модель зависимости 
разноплотности полусферических заготовок из пенопласта ППУ-307 от 
ряда технологических факторов. Установлено, что на процесс получения 
минимальной разноплотности наибольшее влияние оказывают соотношение I и II смеси в композиции, соотношение полиизоцианата и воды во II 
смеси, температура формы. Соотношение Лапрола и Лапрамола в I смеси, 
температуры исходных смесей и время смешения компонентов не оказы11