Известия РАН. Механика твердого тела, 2020, № 2, стр. 159-163

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВЕТОСТОЙКОСТЬ ПОЛИСТИРОЛА

Т. Б. Бобоев a, С. Дж. Гафуров a*

a Таджикский национальный университет
Душанбе, Республика Таджикистан

* E-mail: gafurovs.d@mail.ru

Поступила в редакцию 02.07.2019
После доработки 11.08.2019
Принята к публикации 04.09.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе показано, что путем предварительной термической обработки (термоотжига) полистирола в фиксированном состоянии при температуре 60°С можно достичь некоторое повышение его светостойкости.

Ключевые слова: полистирол, температура, термообработка, прочность, светостабилизация

DOI: 10.31857/S0572329920020063

Введение. При хранении и переработке полимеров, а также при эксплуатации изделий из них, полимеры подвергаются воздействию различных факторов – тепла, света, проникающей радиации, кислорода, влаги, агрессивных химических агентов и механических нагрузок. Эти факторы, действуя раздельно или в совокупности, вызывают в полимерах развитие необратимых химических реакций двух типов: деструкции, когда происходит разрыв связей в основной цепи макромолекул, и структурирования, когда происходит сращивание цепей. Изменение молекулярной структуры приводит к изменениям в эксплуатационных свойствах полимерного материала: теряется эластичность, повышается жесткость и хрупкость, снижается механическая прочность, изменяется цвет, гладкая поверхность становится шероховатой.

Под действием видимого и особенно ультрафиолетового (УФ) света в полимерах развиваются реакции деструкции и структурирования макромолекул, а также активируются окислительные процессы. Механизмы фотопревращений и реакций, вызванных тепловым воздействием, сходны; отличие составляет стадия зарождения первичного радикала, связанная с поглощением света полимером и его активацией.

Каждый поглощенный фотон активирует только одну молекулу, переводя ее в электронно-возбужденное состояние, которое характеризуется определенной энергией, структурой и временем жизни. Энергия разрыва С–С-связи соответствует энергии фотона с длиной волны 365 нм. Вообще свет с λ < 300 нм разрушает связи в макромолекуле, а свет с λ > 300 нм активирует фотоокислительные реакции.

Поскольку старение многих полимеров протекает в основном по механизму цепных радикальных реакций, то при защите их от старения нужно в первую очередь исходить из таких мер, которые были бы направлены на подавление этих реакций. Промышленным путем защиты полимеров от старения, стабилизации свойств изделий из них во времени является введение в полимеры на стадии производства малых (до 5%) добавок низкомолекулярных веществ – стабилизаторов [13]. Общее назначение стабилизатора состоит в рассеянии на своих молекулах определенного вида энергии, разрушающей полимер. Надежность защиты от старения и продолжительность срока эксплуатации будут обеспечены равномерным распределением и совместимостью всех стабилизаторов в массе этого полимера [3, 4].

В настоящее время накоплен большой материал по механизму старения полимеров, разработаны эффективные меры комплексной защиты их от всех видов разрушения. При оценке эффективности светостабилизаторов учитывают не только их активность в химических реакциях, но и способность совмещаться с полимерами, доступность, дешевизну и токсические свойства. Поэтому в нашей работе предложен физический способ повышения светостабилизации полимеров, основанный на изменении структуры без введения в полимер каких-либо стабилизаторов [5, 6]. Показано, что в результате термической обработки этих полимеров можно изменить структуру образцов и это, в свою очередь, приводит к изменениям скорости протекания фотодеструкции в них.

1. Экспериментальная часть. Подобные исследования в нашей работе были проведены на аморфном полимере – полистироле (ПС). Образцы из ПС подвергались термической обработке в термокамере на воздухе в свободном и фиксированном состояниях при температурах 50 и 60°С в течение t = 0.5÷5 и после отжига подвергались механическим испытаниям на прочность.

Этот метод основан на изменении структуры без введения в полимер каких-либо стабилизаторов.

2. Результаты и обсуждение. Результаты этих испытаний представлены на рис. 1 в виде зависимости изменения разрывной прочности σр [МПа] пленок ПС, предварительно отожженных в свободном и фиксированном состояниях от времени отжига t [час], при температурах 50°С (1, 3) и 60°С (2, 4): 1, 2 – в свободном состоянии, 3, 4 – в фиксированном состоянии.

Рис. 1

Из рис. 1 видно, что для образцов, предварительно отожженных в свободном состоянии с увеличением продолжительности отжига наблюдается постепенное падение прочности (кривые 1 и 2). При этом образцы, отожженные в течение 2 ч в фиксированном состоянии при 60°С (кривая 4) обладают наибольшей разрывной прочностью.

Сравнение кривых на рис. 1 показывает, что прочность образцов, отожженных в свободном состоянии всегда меньше, чем прочность образцов, отожженных в фиксированном состоянии. Наблюдаемые ухудшение прочности при отжиге в свободном состоянии сопровождается сильной усадкой и разрыхлением образца, ухудшением ориентации цепей и т.д. При отжиге ПС в фиксированном состоянии улучшается ориентация цепных молекул, повышается плотность цепей, держащих нагрузку. Это способствует улучшению физико-механических свойств ПС.

Для выявления роли термообработки на светостойкости полистирола исследований проводились на следующих образцах:

1) неотожженных;

2) отожженных в свободном состоянии при температуре 60°С в течение 2 ч;

3) отожженных в фиксированном состоянии при температуре 60°С в течение 2 ч.

На рис. 2 представлен график зависимости прочности образцов σр [МПа] от времени t [c] предварительного облучения УФ-светом с λ = 254 нм при комнатной температуре: 1 – исходные неотожженные; 2 – отожженные в свободном состоянии; 3 – отожженные в фиксированном состоянии. Видно, что для трех видов образцов с ростом времени облучения уменьшается прочность. При этом прочность образцов отожженных в фиксированном состоянии при УФ-облучении больше, чем прочность неотожженных и отожженных в свободном состоянии. Эти результаты показывают, что образцы, отожженные в фиксированном состоянии обладают лучшей светостойкостью по сравнению с образцами группы 1 и 2.

Рис. 2

Наблюдаемый эффект увеличения светостойкости показывает, что образцы ПС отожженные в фиксированном состоянии приводят к замедлению фотохимических реакций. Следовательно, предложенный метод повышения светостойкости полистирола в условиях фотостарения является наиболее эффективным физическим способом.

Вместе с тем оказалось невыясненным как влияет термообработка на светостойкость напряженных полимеров.

В этой связи было изучено влияние режима отжига на прочность полистирола в условиях фотомеханической деструкции. Испытанию подвергались как неотожженные, так и отожженные образцы в фиксированном состоянии при двух температурах: 20 и 60°С.

Результаты этих исследований приведены в виде зависимости разрывной прочности σр [МПа] от приложенного напряжения σп [МПа] для образцов полистирола облученных УФ-светом с λ = 254 нм в течение 10 ч, 1, 2 – без отжига; 3, 4 – отжиг в фиксированном состоянии; 1, 3 – при температуре 20°С; 2, 4 – при температуре 60°С (рис. 3).

Рис. 3

Видно, что прочность нагруженных образцов как для неотожженных, так и для отожженных образцов в фиксированном состоянии зависит от величины приложенного напряжения. Прочности образцов облученных светом с λ1 = 254 нм при комнатной температуре при σп = 0 значительно меньше, чем прочности при σп = 20 и 30 МПа, а для образцов облученных при температуре 60°С характер влияния нагрузки существенно меняется. В этом случае нагрузка действует ускоряюще на кинетику фотодеструкции ПС. При этом как видно светостойкость отожженных образцов в фиксированном состоянии больше, чем светостойкость неотожженных образцов. Эти результаты показывают, что предварительный отжиг в фиксированном состоянии приводит к увеличению светостойкости ПС, не только в условиях фотостарения, но и в условиях фотомеханической деструкции.

Заключение. Результаты опытов показывают, что путем предварительной термообработки образцов в фиксированном состоянии можно повысить светостойкость полистирола в условиях интенсивной внешней фотодеструкции. Предлагаемый способ повышения светостойкости (без предварительного введения каких-либо химических светостабилизаторов) является экологически чистым и может быть рекомендован к внедрению в практическую технологию.

Список литературы

  1. Гордон Г.Я. Стабилизация синтетических полимеров. М.: Госкомиздат, 1963. 300 с.

  2. Ренби Б., Рабек Я. Фотодеструкция, фотоокисление, фотостабилизация полимеров. М.: Мир, 1978. 678 с.

  3. Пивоваров А., Луковников Ф. О механизме действия светостабилизаторов в полистироле // ВМС. 1967. Сер А. Т. 9. № 12. С. 2727–2730.

  4. Бобоев Т.Б. Фотомеханическое разрушение полимеров. Душанбе: Матбуот, 2000. 241 с.

  5. Бобоев Т.Б., Джонов Е., Туйчиев Ш.Т. Влияние термохимической предыстории на структуру и кинетику фотохимической деструкции ПЭТФ // ВМС. 1988. Сер. Б. Т. 40. № 8. С. 1372–1376.

  6. Гафуров С. Дж., Бобоев Т.Б. Влияние термомеханического воздействия на светостойкость полиэтилена. Журнал прикладной физики, Москва, 2018. № 3. С. 70–74.

  7. Тамуж В.П., Куксенко В.С. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Киев: Знатне, 1978. 294 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.