Удивительные свойства упаковочной пленки (стр. 2 из 2)

Микрофотографии образцов пленки полиэтилентерефталата с платиновым покрытием (4 нм).

Слева - образец, растянутый на 100% при 100°С (скорость 0.1 мм/мин);

Справа - тот же образец после дополнительного растяжения при более высоком напряжении.

Увел. в 2500 раз.

Микрофотографии образцов пленки разного состава, но с одним и тем же покрытием,

и одного состава, но с разным покрытием после неоднородной и однородной деформации полимера-подложки.

Увел. (слева направо): в 2000 раз, 800 и 1200.

Важно отметить, что при неоднородной деформации подложки наличие микродефектов на поверхности покрытия фактически не влияет на процесс его фрагментации. Это обусловлено тем, что поверхность полимера, не перешедшего в ориентированное состояние, практически не деформирована - величина упругой деформации не превышает нескольких процентов.

Независимо от того, упруго или не упруго деформируется податливая подложка и (или) жесткое покрытие, средний размер (L) фрагмента разрушения в направлении оси растяжения равен

L = 2hs*/s0, (3)

где h - толщина покрытия, s* - предел его прочности и s0 - напряжение в подложке.

Вот такие интересные последствия простого растяжения армированной упаковочной пленки проявились при изучении. Но неужели только в ней могут происходить описанные здесь явления? Трудно представить, что это так. Думаю, найдется немало физических объектов, построенных по принципу “твердое покрытие на податливом основании”. Не исключено, что деформация (сжатие и растяжение) упаковочной пленки моделирует многие процессы в окружающем нас мире.

Сетки трещин на разных физических объектах.

Сверху вниз:

полимерная пленка с тонким металлическим покрытием,подвергнутая плоскостному растяжению;

трещины на высыхающей влажной почве

и на остывающей вулканической бомбе.

В природе очень часто возникают ситуации, когда подобные системы подвергаются разного рода деформациям. Как следствие, возникают многочисленные регулярные структуры. Потеря устойчивости в условиях плоскостного сжатия приводит к появлению удивительно красивых рельефов, таких, например, которые образуются при высыхании капли краски.

Системы “твердое покрытие на податливом основании” подвергаются и деформации плоскостного растяжения. Его результаты видел каждый, кто замечал на почве сухие, в трещинах, корки. Когда высыхает влажная земля, образовавшаяся на ее поверхности твердая корка стремится сжаться, но этому препятствует лежащее под ней мягкое, почти несжимаемое основание - слой грязи. В результате корка оказывается в условиях плоскостного растяжения. За счет испарения жидкости из почвы растягивающие напряжения усиливаются, и появляется сетка трещин на жесткой поверхности. Образуются они и распространяются по строгим законам, присущим все тем же системам “твердое покрытие на податливом основании”.

Столбчатые структуры Мостовой гигантов в Северной Ирландии.

Аналогичные картины возникают и при остывании магматических расплавов, так называемых вулканических бомб. При медленном остывании расплава граница между жестким слоем и еще не остывшей жидкой сердцевиной движется вглубь. Твердая фаза, непрерывно сосуществующая с жидкой, постоянно подвергается деформации плоскостного растяжения. Когда этот процесс замедлен, фрагментация происходит настолько регулярно, что кажется делом человеческих рук. Полагают, что именно этот механизм лежит в основе возникновения удивительного природного объекта - базальтовых пальцев. Одно из таких образований находится в Северной Ирландии и известно как Мостовая гигантов.

А разве не похожа сама Земля на типичную систему “твердое покрытие на податливом основании”? По современным представлениям, относительно тонкая (5-50 км) твердая наружная оболочка нашей планеты (литосфера) покоится на относительно податливой и толстой (2900 км) оболочке - верхней мантии (полная аналогия с упаковочными пленками). Ее вязкое, текучее вещество находится в состоянии неустойчивости из-за вертикального теплового градиента [3]. Полагают, что именно поэтому в мантии генерируются гигантские конвекционные потоки (ячейки). За счет конвекции возникает механическое напряжение в земной коре, которое ответственно за такие геодинамические процессы, как дрейф континентов, формирование рельефа, открытие и закрытие океанов, извержения вулканов, землетрясения и т.д.

Как видим, строение верхних оболочек нашей Земли полностью соответствует структуре систем “твердое покрытие на податливом основании”. Неудивительно поэтому, что рельеф примерно трети океанического дна (т.е. колоссального по размерам участка) поразительно похож на рельеф, образующийся при растяжении армированных полимерных пленок.

Если рассматривать земную кору как единое твердое тело (несмотря на его гигантские размеры, сферическую форму, непостоянный химический состав, градиент температуры, дефектность и множество других осложняющих факторов), способное воспринимать и передавать механическое напряжение на огромные расстояния, то, применив формулы 1-3, можно получить важную количественную информацию. Эти формулы позволяют связать прямо измеряемые на картах параметры рельефа с внутренними свойствами системы, такими как прочность, предел текучести или модуль упругости. Определить такие параметры для столь грандиозной системы, как земная кора, ни одним другим способом в принципе невозможно *. Ясно, что прочность или модуль куска базальта, которые можно легко измерить в лаборатории, совершенно не равны соответствующим характеристикам такого уникального тела, как земная кора в целом.

* К настоящему времени автором использованы уравнения (1-3) для расчетов напряжения прочности океанической коры. - Примеч. ред.

Многим, по-видимому, покажется фантастической идея родственности процессов, вызывающих регулярность разрушения твердого покрытия на податливой полимерной подложке, и событий, происходящих в земной коре. Но такая аналогия, уверен, все же вполне правомерна. Мало того, рассмотренный подход можно использовать в планетологии для грубой оценки структуры космических объектов. Так, по анализу особенностей рельефа поверхности Венеры [A HREF="#4">4], полученному с помощью радарной съемки с ее искусственного спутника, с использованием такого подхода уже сделаны некоторые заключения относительно прошлого этой планеты.

Два весьма схожих рельефа: океанического дна в районе Восточно-Тихоокеанского поднятия и образующегося на растянутой пленке каучука с золотым покрытием.

Нет ничего удивительного в том, что зачастую одни и те же физические законы действуют в самых разнообразных системах. В нашем случае диапазон родственных явлений простирается от микроскопического уровня (толщины покрытий на упаковочных полимерных материалах составляют от единицы до десятков нанометров) до макроскопического и даже планетарного. Благодаря общности законов можно получать информацию о явлениях и процессах (например, образовании рельефа на поверхности планет), происходящих в окружающем мире, обратившись к лабораторным моделям и взяв за аналог простой и хорошо изученный физический объект. Скажем, кусок упаковочной пленки, если интересующая нас система аналогична той, что названа “твердым покрытием на податливом основании”.

Список литературы

1. Волынский А.Л., Баженов С.Л, Бакеев Н.Ф. // Рос. хим. журн. (ЖВХО им.Д.И.Менделеева). 1998. Т.42. №3. С.57-68.

2. Волынский А.Л. // Наука в России. 2002. №3. С.4-12.

3. Короновский Н.В. Общая геология. М., 2002.

4. Короновский Н.Н. Структура тессер Венеры и ее тектонофизическое моделирование: Дис. … канд. геол.-мин. наук. М., 2003.