Электрофизические свойства природных волокон - рогоза

В последние годы большое внимание уделяется изучению физических свойств волокносодержащих растений. Так, например, изучению физических свойств хлопковых волокон и влияние на них различных внешних воздействий посвящена работа [1], где особое внимание уделяется изучению электропроводности хлопковых волокон и её связи со структурными изменениями.

Кроме того, природные волокна имеют микрофибрилярную структуру, с чередующимися аморфными и кристаллическими областями, размеры которых порядка нанометров, большой интерес вызывает исследование физических, в частности электрофизических свойств этих природных волокон [2]. Например, в природных полимерных волокнах обнаружены полупроводниковые свойства и показана их высокая чувствительность к свету, температуре, влажности и легированию химическими элементами.

Одним из волокно содержащих растений, в структуре которого имеется волокна, является рогоз (Typha). Это тип многолетних растений семейства рогозовых [3]. Растение является водной или болотной травой с длинным ползучим корневищем. Толстые стебли высотой до 3 метров у основания часто лукообразно расширены. Согласно работе [4] узкие листы, обычно превышают длину стебля; благодаря их винтообразной скрученности, а также выделяемый клетками влагалищ рогоз хорошо противостоят сильным механическим воздействиям. Поэтому стебли рогоза применяют как материал для плетения корзин, циновок и т.д.

Рогоз широкополосный (Typha latifoliya), химический состав которого мало изучен, применяется как кровоостанавливающее и ранозаживляющее средство.

В работах [5] даны некоторые особенности рогоза, из которых следует, что рогоз использовали для изготовления «рогозы», сплетенной из листьев для замены ткани. Листья обладают свойством гибкости, даже при полном высохшем состоянии. Также отмечены, что рогоз обладает антисептическими и бактерицидными свойствами. Указаны факты, что листья рогоза содержат в составе большое количество аскорбиновой кислоты, протеин, небольшое количества жира. В корневищах рогоза широкополостного обнаружены дубильные вещества, сахар, крахмал, щавелевокислый кальций, белок и жир. Механические свойства рогоза при его линейном растяжении. Также внимание уделено на установление факта содержания в структуре рогоза волокон. Получены зависимости изменения механического напряжения от деформации.

Как видно из анализа литературы, хоть рогоз обладает удивительными свойствами, малоизученными аспектами остаются исследование его структуры, механических и электрофизических свойств.

В данной работе изучены механические и электрофизические свойства природного волокна - рогозы по направлению его волокносодержания, определены механические свойства и степень прочности.

Для исследования были собраны рогоз узколистный, растущий в водных местностях Бустонского района Андижанской области. Для обнаружения волокон были подготовлены образцы длиной 1 см. В данных образцах, в продольном направлении были сняты поверхностные слои для лучшего наблюдения волокон рогоза, затем с помощью цифрового микроскопа были наблюдены структуры данных образцов.

Для исследования механических свойств рогоза была собрана специальная установка, позволяющая осуществить линейное растяжение под нагрузкой, причем микрометр (точность 0,01 мм) установленный на данной установке позволял фиксировать малые изменения удлинения.

Как было указано выше, для обнаружения волокон в образцах рогоза были исследованы ряд образцов с помощью цифрового микроскопа и получены соответствующие снимки (рис.1).

а

б

Рис.1. Строение рогоза ( а ) и его структура ( б )

Как видно из рисунка 1-а, б образцы рогоза содержат особо тонкие волокна (рис.1-а) направленные как в продольном, так и поперечном направлениях и образуют структуру в виде клетки (рис. 1-б). Данный факт по-видимому способствует увеличению прочности рогоза.

Далее, с помощью собранной установки, были изучены зависимости механического напряжения от деформации. Исследуемые образцы длиной 12 см подвергались линейному растяжению под воздействием нагрузок. График зависимости механического напряжения от деформации представлен на рис. 2. Как видно из графика участок ОА характеризует упругую деформацию и достаточно хорошо согласуется с законом Гука. На участке АВ наблюдается медленный рост деформации. Затем на участке ВС наблюдается увеличение деформации при малых изменениях механического напряжения, что по-видимому свидетельствует о появлении «текучести».

На исследуемом образце были проведены опыты при по этапном снятии нагрузок (Рисунок-2, график -2) и обнаружено, что данные образцы рогоза достаточно долгое время не восстанавливали первоначальную длину. Данный факт свидетельствует о том, что в образцах возникала остаточная деформация ( в₀ ).

Рис.2. Удлинение образца при приложении нагрузки. 1–при увеличении нагрузки, 2- при снятии нагрузки.

Для исследования электрофизических свойств волокносодержащего растения – рогоз были изготовлены соответствующие образцы с омическими контактами. На специально собранной установке с электрической схемой, были измерены вольтамперные характеристики образцов.

Исследованы электрофизические свойства поверхностных слоев рогозы, после обработки их с KMnO₄. Обнаружено, что поверхностные слои волокнистого рогоза обладают полупроводниковыми свойствами. Эксперименты показывают, что в исходных образцах, которые легированы KMnO_4, электропроводность волокнистого рогоза возрастает при повышении температуры по экспоненциальному закону с энергией активации Е₁=0,33;0,18эВ и Е₂=0,5эВ , соответственно. Выявлено неустойчивость электрического тока при повышении температуры от 300 до 340К. Вольтамперные характеристики в темноте и при освещении УФ светом с հ ν=5,0 эВ имеют линейный характер. При включении УФ свет, нарастание фототока происходит по экспоненциальному закону с θ=5-10 мин. После выключения УФ света обнаружена долговременная релаксация фотопроводности, связанные прилипанием носителей заряда на глубокие уровни в запрещенной зоне рогозы, образованные после обработки их с KMnO 4 .

Для исследования электропроводности рогоза требуется новая методика изготовления образцов. Мы разработали такую методику. Подбирали одинаковые по длине и зрелости рогоза и укладывали параллельно друг другу. Их концы зажимали медной фольгой 2 или склеивали электропроводящей пастой (рис.3). Провода 3 , припаянные к концам образца 1 , служили для отвода тока от образца к измерительному наномикроамперметру. Длина рабочей части образцов 10 мм, вес от 3 до 30 мг в зависимости от вида измерения. При сопоставительных измерениях все образцов был всегда одинаковым.

Рис.1. Схематический вид образцов рогоза

1-рогоза, 2-контакты из медной фольги, 3-токовыводы.

Электропроводность таких образцов измеряли при различных значениях влажности при комнатной [6] температуре (в отсутствие влаги через образец электрический ток практически не протекает). Установлена линейная зависимость силы тока от влажности воздуха (рис.4).

Из рис.4 видно, что до определенного значения влажности воздуха рогоза не проводит электрический ток, электропроводность резко увеличивается с ƒ=30% влажности воздуха (кривая 1 ): это соответствует влажности волокна ω=3,2%. Эту границу принято называть порогом резкого изменения электропроводности рогоза при комнатной температуре. С повышением температуры влажного воздуха этот порог смещается в сторону сравнительно низкой влажности воздуха (рис.4) и далее зависимость J(f) является линейной с разными наклонами при разных температурах. Отметим, что эти измерения качественно совпадают с результатами работ [7,8]. Были созданы установки для исследования электропроводности рогоза при отсутствии влаги, где в специальной барокамере были установлены приборы по измерению влаги, температуры, давления и т.п. [6,9,10]

J,mkA

Рис.2. Кривая зависимости электропроводности рогоза от влажности воздуха при температурах 20⁰С ( 1 ) , 30⁰С ( 2 ), 50⁰С ( 3 ), 60⁰С ( 4 ).

Обнаружено уменьшение электропроводности после легировании волокнистого рогоза с KMnO 4. Это, по-видимому, связано с уменьшением свободных носителей за счет компенсации глубокими уровнями волокнистой рогозы.

Мы изучали фотопроводимость рогоза, легированных KMnO 4 , при постоянной освещенности и разных температурах (рис.5) [11]. С увеличением температуры фототок вначале увеличивается, дальнейший рост температуры уменьшает его. Установлено также, что в некоторых случаях рогоза обладает отрицательной фотопроводимостью. По-видимому, введенный в рогоза KMnO 4 играет роль, сенсибилизатора, облегчающего переход слабо связанных с атомом электронов в зону проводимости.

Таким образом установлено, что рогоз узколистный содержит особо тонкие волокна, которые способствуют повышению его прочности.

Полученные данные помогут в понимании физических свойств рогоза и могут быть использованы в практической медицине.

Вольтамперные характеристики созданных преобразователей сигналов в темноте и при освещении имеют линейный характер. Установлено, что рогоз узколистный содержит особо тонкие волокна, которые способствуют повышению его прочности.

Определено, что введении легирующих элементов KMnO4 проводит изменить электропроводность и фотопроводность, которые зависят от приложенного напряжения, освещенности, типа рогоза, степени его созревания, условий роста и развития.

На основе проведенных исследований были созданы преобразователи сигналов-фотоэлементов, обладающие высокую чувствительность в видимой и ультрафиолетовой области оптического спектра излучения