Laser acceleration of electrons and ions: principles, issues, and

Radiation modification of
polymer nanocomposites
Alexander Lobko
Institute for Nuclear Problems, BSU
Minsk Belarus
Outline
• Polymers and (nano)composites
• Radiation modification of Polymers
• Polymers radiation hardness
(degradation)
Motivation
Нанотехнологии считаются революцией в современном
материаловедении. Многофазные композиты полимеров с
наноструктурами органических, неорганических и полимерных
добавок привлекают сейчас пристальное внимание в связи с
тем, что новые материалы по сравнению с обычными
композитами полимеров обладают улучшенными физикомеханическими, термическими, барьерными, электрическими
и другими свойствами, могут обладать повышенной
химической стойкостью, что делает их весьма перспективным
классом современных пластмасс.
Могут ли эти новые материалы, полимерные нанокомпозиты,
получить повышенную радиационную стойкость и послужить
заменой применяемых в настоящее время полимеров, в
частности, при проектировании новых ускорительных
комплексов с повышенной светимостью?
Polymers: definition
Overall characteristics of polymers
Composites and Nanocomposites
Polymer nanocomposites
Полимерные нанокомпозиты представляют собой
двухфазные системы, содержащие полимерную
матрицу и наполнитель, наноразмерный как
минимум в одном измерении. Наполнители могут
быть одномерными (нанотрубки и нановолокна),
двумерными (слоистые минералы, например, глины)
или трехмерными (сферические наночастицы).
Причиной повышенного внимания к этим материалам
заключается в том, что у нанодобавок существенно
больше отношение площади поверхности к объему по
сравнению с микро и макродобавками. Это приводит
к улучшенным свойствам даже при малом количестве
нанодобавок.
Examples of nano-fillers applications
Example of Nanocomposite structures
Impact of radiation to polymers
Effect of radiations on polymer chains
Crosslinking of Polyethylene
Teflon,
фторопласт
Radiation hardness estimation
Radiation hardness of fiber-glass
plastics and и epoxy composites
Литературные и справочные данные дают большие разбросы
в результатах, поскольку радиационная стойкость материалов
существенно зависит от конкретных условий их изготовления и
испытания (вид излучения, режим облучения – непрерывное
или импульсное, кратковременное или длительное, на
воздухе или в вакууме, какие мощности дозы применены). В
частности, влияние радиационного окисления на воздухе
может приводить к большим повреждениям при
фиксированных интегральных дозах.
Таким образом, испытания на радиационную стойкость
должны проводиться в условиях их предполагаемой
эксплуатации
Elasticity coefficient dependence on dose
Epoxy resins
Breakdown voltage of typical insulators
Degradation of polyepoxy and kapton
Scheme of a radiation degradation
UV degradation, thermo-oxidative degradation as well as
radiation degradation are all similar chain reactions. As such,
these processes consist of several steps:
• chain initiation; chain propagation; chain branching; chain
termination
Scheme of a radiation degradation
Scheme of a radiation degradation
In controlling the route of those oxidative chain reactions, there are two main types
of antioxidant stabilizers:
• Primary, or chain-breaking antioxidants interfere with the chain propagation step.
This step is the main carrier of the oxidative degradation.
• Secondary, or preventive antioxidants destroy hydro-peroxide groups, responsible
for chain initiation and chain branching .
Some typical primary
antioxidants
Some typical secondary
antioxidants
Development of radiation hard scintillators
F. Markley et al // Radiat. Phys. Chem. 41(1/2) (1993) 135-152
Chemical structure of antirads
Chemical structure of shifters
CONCLUSION
The extremely long molecular chains of polymers can be
broken easily by the absorption of a quantum of energy
above the energy of the covalent bond of the main carbon
chain, which typically is in range of 5-10 eV.
The protection of polymers against high doses requires
efficient additives preventing and/or stopping chain reaction
type oxidative degradation.
The controlled degradation of polymers of large molecular
mass is a promising field of radiation application.
Thank you for attention