Выше уже отмечалось (см. предыдущую статью) что лучи УФ - диапазона принято делить на три группы в зависимости от длины волны:
[*]Длинноволновое излучение (UVA) – 320-400 нм.
[*]Среднее (UVB) – 280-320 нм.
[*]Коротковолновое излучение (UVC) – 100-280 нм.
Одна из основных трудностей при учете воздействия УФ – излучения на термопласты состоит в том, что его интенсивность зависит от множества факторов: содержания озона в стратосфере, облаков, высоты местоположения, высоты стояния солнца над горизонтом (как в течение суток, так и в течение года) и отражения. Сочетание всех этих факторов и определяет уровень интенсивности УФ-излучения, что отражено на данной карте Земли:

В зонах, окрашенных в темно-зеленый цвет интенсивность УФ-излучения наивысшая. Кроме того, необходимо учитывать что повышенная температура и влажность дополнительно усиливают эффект воздействия УФ – излучения на термопласты (см. предыдущую статью).

[B]Основной эффект от воздействия УФ – излучения на термопласты

Все виды УФ – излучения могут вызывать фотохимический эффект в структуре полимерных материалов, который может как приносить пользу, так и приводить к деградации материала. Тем не менее, по аналогии с человеческой кожей, чем вышек интенсивность излучения и чем меньше длина волны, тем больше риск деградации материала.

[U]Деградация
Основной видимый эффект от воздействия УФ–излучения на полимерные материалы – появление т.н. «меловых пятен», изменение цвета на поверхности материала и повышение хрупкости участков поверхности. Данный эффект можно часто наблюдать на пластиковых изделиях, постоянно эксплуатируемых вне помещений: сиденьях на стадионах, садовой мебели, тепличной пленке, оконных рамах и т.д.

В то же время, нередко изделия из термопластов должны выдерживать воздействие УФ-излучения таких видов и интенсивности, которые не встречаются на Земле. Речь идет, например, об элементах космических аппаратов, что требует применения таких материалов как FEP.

Отмеченные выше эффекты от воздействия УФ-излучения на термопласты отмечаются, как правило, на поверхности материала и редко проникают в структуру глубже 0.5 мм. Тем не менее, деградация материала на поверхности при наличии нагрузки может приводить к разрушению изделия в целом.

[U]Положительные эффекты
В последнее время широкое применение нашли специальные полимерные покрытия, в частности на основе полиуретан-акрилата, «самозалечивающиеся» под воздействием УФ-излучения. Обеззараживающие свойства УФ-излучения широко используются, к примеру, в кулерах для питьевой воды и могут быть дополнительно усилены хорошими пропускающими свойствами PET. Данный материал используется также в качестве защитного покрытия на УФ инсектицидных лампах, обеспечивая пропускание до 96% светового потока при толщине 0.25 мм. УФ-излучение применяется, также, для восстановления чернил нанесенных на пластиковую основу.

Положительный эффект от воздействия УФ-излучения дает применение флуоресцентных отбеливающих реагентов (FWA). Многие полимеры при естественном освещении имеют желтоватый оттенок. Однако введение в состав материала FWA УФ-лучи поглощаются материалом и излучают обратно лучи видимого диапазона голубого спектра с длиной волны 400-500 нм.

[B]Воздействие УФ-излучения на термопласты

Энергия УФ-излучения, поглощенная термопластами, возбуждает фотоны, которые, в свою очередь, формируют свободные радикалы. В то время как многие термопласты в натуральном, чистом виде, не поглощают УФ-излучение, наличие в их составе остатков катализаторов и пр. загрязнений, служащих рецепторами, может приводить к деградации материала. Причем для начала процесса деградации требуются ничтожные доли загрязнителей, например миллиардной доли натрия в составе поликарбоната ведет к нестабильности цвета. В присутствии кислорода свободные радикалы формируют гидроперекись кислорода, которая ломает двойные связи в молекулярной цепочке, что делает материал хрупким. Данный процесс часто называют фотоокислением. Однако даже при отсутствии водорода все равно происходит деградация материала вследствие связанных процессов, что особенно характерно для элементов космических аппаратов.

Среди термопластов, обладающих в немодифицированном виде неудовлетворительной стойкостью к УФ-излучению можно отметить POM, PC, ABS и PA6/6.

PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT считаются достаточно стойкими к УФ-излучению, как и комбинация PC/ABS.

Хорошей стойкостью к УФ-излучению обладают PTFE, PVDF, FEP и PEEK.

Великолепной стойкостью к УФ-излучению обладают PI и PEI.

Большинство масел и герметиков используется с одинаковым успехом как для внутренней отделки, так и для внешней. Правда, для этого они должны обладать определенным набором свойств, например, таких, как влагонепроницаемость, теплоизоляция и устойчивость к ультрафиолетовым излучениям.

Все эти критерии должны быть соблюдены в обязательном порядке, ведь климатические условия у нас непредсказуемы и постоянно меняются. Утром может быть солнечно, а к обеду уже появятся тучи и начнется проливной дождь.

Имея все вышесказанное в виду, специалисты советуют выбирать устойчивые к УФ-лучам масла и герметики.

Зачем необходим фильтр

Казалось бы, зачем добавлять УФ-фильтр, когда можно применить силиконовый или полиуретановый герметик для наружных работ? Но все эти средства имеют определенные различия, что не позволяет их использовать абсолютно во всех случаях. Например, можно с легкостью провести реставрацию шва, если использовался акриловый герметик, чего не скажешь о силиконовом.

К тому же силиконовое герметизирующее средство обладает высокой агрессивностью к металлическим поверхностям, чего не скажешь об акриловых. Еще одной отличительной чертой со знаком минус у силиконовых герметиков выступает их неэкологичность. В них содержатся растворители, опасные для здоровья. Именно поэтому в некоторых акриловых герметиках начали использовать УФ-фильтр, чтобы расширить диапазон их применения.

Ультрафиолетовое излучение является основной причиной разрушения большинства полимерных материалов. Учитывая тот факт, что не все герметики устойчивы к ультрафиолету, нужно предельно внимательно подходить к выбору герметизирующего средства или масла.

Вещества, устойчивые к ультрафиолетовому излучению

На рынке герметизирующих средств и покрытий уже существует некоторое количество герметиков, устойчивых к ультрафиолетовому излучению. К ним можно отнести силиконовые и полиуретановые.

Силиконовые герметики

К преимуществам силиконовых герметиков можно отнести высокую адгезию, эластичность (до 400 %), возможность окрашивания поверхности после затвердевания и устойчивость к ультрафиолету. Однако у них хватает и недостатков: неэкологичность, агрессивность к металлическим конструкциям и невозможность реставрации шва.

Полиуретановые

Обладают еще большей эластичностью, чем силиконовые (до 1000 %). Морозостойки: их можно наносить на поверхность при температуре воздуха до −10 C°. Полиуретановые герметики долговечны и, конечно же, устойчивы к ультрафиолетовым излучениям.

К недостаткам можно отнести высокую адгезию не ко всем материалам (плохо взаимодействует с пластиком). Использованный материал очень сложно и дорого утилизировать. Полиуретановый герметик плохо взаимодействует с влажной средой.

Акриловые герметики с УФ-фильтром

Акриловые герметики имеют много преимуществ, среди которых высокая адгезия ко всем материалам, возможность реставрации шва и эластичность (до 200 %). Но среди всех этих преимуществ не хватает одного пункта: устойчивости к ультрафиолетовым лучам.

Благодаря этому УФ-фильтру теперь акриловые герметики могут составить достойную конкуренцию другим видам герметизирующих средств и облегчить выбор потребителя в определенных случаях.

Масла с УФ-фильтром

Бесцветное средство для покрытия деревянных поверхностей обладает высокой и надежной защитой от ультрафиолетового излучения. Масла с УФ-фильтром с успехом применяются для наружных работ, позволяя материалу сохранять все свои основные положительные свойства, несмотря на внешние воздействия.

Данный вид масел позволяет немного отсрочить очередное плановое покрытие поверхности маслом. Интервал между реставрациями уменьшается в 1,5–2 раза.

Жесткий (непластифицированный) поливинилхлорид появился на российском рекламном рынке первым, и, несмотря на увеличивающийся с каждым годом ассортимент предлагаемых полимерных материалов, в некоторых областях рекламного производства продолжает устойчиво сохранять лидирующие позиции. Это объясняется наличием у ПВХ комплекса свойств, необходимых для решения разнообразных задач и удовлетворяющих самые строгие требования, предъявляемые к конструкционным материалам этого типа.

ПВХ характеризуется природной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, химическому воздействию, механической коррозии и контактным повреждениям. На протяжении длительного времени эксплуатации на улице не теряет первоначальных свойств. Не впитывает атмосферной влаги и, соответственно, не склонен к образованию конденсата на поверхности. Среди всех прочих пластиков обладает уникальной огнестойкостью. В нормальных эксплуатационных условиях не представляет опасности ни для человека, ни для окружающей среды. Легко обрабатывается механически, формуется (компактный материал), сваривается и склеивается. При пленочной аппликации нет необходимости задумываться о «подводных камнях» - ПВХ без участия человека не преподнесет «сюрпризов».

К условным недостаткам поливинилхлорида можно отнести:

• непродолжительную устойчивость цветных модификаций к солнечным лучам (это не касается материалов с дополнительной УФ-стабилизацией);
• возможное наличие у материалов неизвестного происхождения поверхностных разделительных смазок, требующих удаления;
• ограниченная морозостойкость (до -20 °С), далеко не всегда подтверждаемая на практике (при соблюдении всех технологических правил изготовления конструкций и их монтажа, при отсутствии значительных механических нагрузок ПВХ стабильно ведет себя и при более низких температурах);
• более высокий по сравнению со многими другими полимерными материалами коэффициент линейного теплового расширения, т. е. более широкий диапазон размерных искажений;
• недостаточно высокая степень светопропускания прозрачного материала (ок. 88 %);
• повышенные требования к утилизации: продукты дымления и горения опасны для человека и окружающей среды.

Жесткий поливинилхлорид производится в различных модификациях только методом экструзии. Широкий ассортимент ПВХ, включающий листы:

• компактные и вспененные;
• с глянцевой и матовой поверхностью;
• белые, цветные, прозрачные и транслюцентные;
• плоские и рельефные;
• стандартного исполнения и повышенной прочности на изгиб,

позволяет использовать этот материал практически в любых областях рекламного производства.

Татьяна Дементьева
инженер-технолог

1

Получены композиционные материалы на основе полипропилена, устойчивые к УФ-излучению. Для оценки степени фотодеградации полипропилена и композитов на его основе главным инструментом являлась ИК-спектроскопия. При деградации полимера происходит разрыв химических связей и окисление материала. Данные процессы находят свое отражение на ИК-спектрах. Также о развитии процессов фотодеградации полимера можно судить по изменению структуры поверхности, подвергшейся облучению УФ. Это отражается на изменении краевого угла смачивания. Методами ИК-спектроскопии и измерения краевого угла смачивания исследовался полипропилен, стабилизированный различными УФ-абсорберами. В качестве наполнителей для полимерной матрицы использовались нитрид бора, многостенные углеродные нанотрубки и углеродные волокна. Получены и проанализированы ИК-спектры поглощения полипропилена и композитов на его основе. На основании полученных данных определены концентрации УФ-фильтров в полимерной матрице, необходимые для защиты материала от фотодеградации. В результате проведенных исследований установлено, что использованные наполнители значительно снижают деградацию поверхности и кристаллической структуры композитов.

полипропилен

УФ-излучение

нанотрубки

нитрид бора

1. Смит А. Л. Прикладная ИК-спектроскопия. Основы, техника, аналитическое применение. – М.: Мир, 1982.

2. Bertin D., M. Leblanc, S. R. A. Marque, D. Siri. Polypropylene degradation: Theoretical and experimental investigations// Polymer Degradation and Stability. – 2010. – V. 95, I.5. – P. 782-791.

3. Guadagno L., Naddeo C., Raimondo M., Gorrasi G., Vittoria V. Effect of carbon nanotubes on the photo-oxidative durability of syndiotactic polypropylene // Polymer Degradation and Stability. – 2010. – V.95, I. 9. – P. 1614-1626.

4. Horrocks A. R., Mwila J., Miraftab M., Liu M., Chohan S. S. The influence of carbon black on properties of orientated polypropylene 2. Thermal and photodegradation // Polymer Degradation and Stability. – 1999. – V. 65, I.1. – P. 25-36.

5. Jia H., Wang H., Chen W. The combination effect of hindered amine light stabilizers with UV absorbers on the radiation resistance of polypropylene // Radiation Physics and Chemistry. – 2007. – V.76, I. 7. – P. 1179-1188.

6. Kaczmarek H., Ołdak D., Malanowski P., Chaberska H. Effect of short wavelength UV-irradiation on ageing of polypropylene / cellulose compositions // Polymer Degradation and Stability. – 2005. – V.88, I.2. – P. 189-198.

7. Kotek J., Kelnar I., Baldrian J., Raab M. Structural transformations of isotactic polypropylene induced by heating and UV light // European Polymer Journal. – 2004. – V.40, I.12. – P. 2731-2738.

1. Введение

Полипропилен применяется во многих областях: в производстве плёнок (особенно упаковочных), тары, труб, деталей технической аппаратуры, в качестве электроизоляционного материала, в строительстве и так далее. Однако при воздействии УФ-излучения полипропилен теряет свои эксплуатационные характеристики вследствие развития процессов фотодеградации . Поэтому для стабилизации полимера применяются различные УФ-абсорберы (УФ-фильтры) - как органические , так и неорганические: дисперсные металлические, керамические частицы, углеродные нанотрубки и волокна .

Для оценки степени фотодеградации полипропилена и композитов на его основе главным инструментом является ИК-спектроскопия. При деградации полимера происходит разрыв химических связей и окисление материала. Данные процессы находят свое отражение на
ИК-спектрах. По числу и положению пиков в ИК-спектрах поглощения можно судить о природе вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос поглощения - о количестве вещества (количественный анализ) , а, следовательно, и оценить степень деградации материала.

Также о развитии процессов фотодеградации полимера можно судить по изменению структуры поверхности, подвергшейся облучению УФ. Это отражается на изменении краевого угла смачивания.

В данной работе методами ИК-спектроскопии и измерения краевого угла смачивания исследовался полипропилен, стабилизированный различными УФ-абсорберами.

2. Материалы и методика эксперимента

В качестве исходных материалов и наполнителей были использованы: полипропилен, низковязкий (ТУ 214535465768); многослойные углеродные нанотрубки диаметром не более 30 нм и длиной не более 5 мм; высокомодульное углеродное волоконо, марки ВМН-4; гексагональный нитрид бора.

Образцы с различной массовой долей наполнителя в полимерной матрице были получены из исходных материалов методом экструзионного перемешивания.

В качестве метода для исследования изменения молекулярной структуры полимерных композитов под действием ультрафиолетового излучения использовалась ИК-Фурье спектрометрия. Съемка спектров проводилась на спектрометре Thermo Nicolet 380 с приставкой для реализации метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) Smart iTR с алмазным кристаллом. Съемка велась с разрешением 4 см-1, анализируемая область находилась в диапазоне 4000-650 см -1. Каждый спектр получен путем усреднения 32 проходов зеркала спектрометра. Спектр сравнения снимался перед съемкой каждого образца.

Для исследования изменения поверхности экспериментальных полимерных композитов под действием ультрафиолетового излучения использовался метод определения краевого угла смачивания дистиллированной водой. Измерения краевого угла смачивания проводятся при помощи системы анализа формы капли KRÜSS EasyDrop DSA20. Для расчета краевого угла смачивания использовался метод Юнга - Лапласа. В данном методе оценивается полный контур капли; при подборе учитывается не только межфазные взаимодействия, которые определяют контур капли, но и то, что капля не разрушается за счет веса жидкости. После успешного подбора уравнения Юнга - Лапласа определяется краевой угол смачивания как наклон касательной в точке касания трех фаз.

3. Результаты и их обсуждение

3.1. Результаты исследований изменения молекулярной структуры полимерных композитов

На спектре полипропилена без наполнителя (рисунок 1) присутствуют все характерные для данного полимера линии. В первую очередь это линии колебаний атомов водорода в функциональных группах CH3 и CH2. Линии в области волновых чисел 2498 см-1 и 2866 см-1 отвечают за асимметричные и симметричные валентные колебания метильной группы (CH3), а линии 1450 см-1 и 1375 см-1 в свою очередь обусловлены изгибными симметричными и асимметричными колебаниями той же группы. Линии 2916 см-1 и 2837 см-1 относят к линиям валентных колебаний метиленовых групп (CH2). Полосы на волновых числах 1116 см-1,
998 см-1, 974 см-1, 900 см-1, 841 см-1 и 809 см-1 принято относить к полосам регулярности, то есть к линиям, обусловленным областями регулярности полимера, также их иногда называют полосами кристалличности. Стоит отметить присутствие линии малой интенсивности в области 1735 см-1, которую следует относить к колебаниям связи C=O, что может быть связано с незначительным окислением полипропилена в процессе прессования. На спектре также присутствуют полосы, отвечающие за образование двойных связей C=C
(1650-1600 см-1), возникших после облучения образца УФ-излучением. Ко всему прочему, именно этот образец характеризуются максимальной интенсивностью линии C=O.

Рисунок 1. ИК спектры полипропилена после испытаний устойчивости к ультрафиолетовому излучению

В результате воздействия УФ-излучения на композиты, наполненные нитридом бора, образуются связи C=O (1735-1710 см-1) различной природы (альдегидной, кетонной, эфирной). На спектрах облученных УФ-излучением образцов чистого полипропилена и полипропилена, содержащего 40 % и 25 % нитрида бора, присутствуют полосы, как правило, отвечающие за образование двойных связей C=C (1650-1600 см-1). Полосы регулярности (кристалличности) в области волновых чисел 1300-900 см-1 на образцах полимерных композитов, подвергнутых УФ-облучению, заметно уширены, что говорит о частичной деградации кристаллической структуры полипропилена. Однако с увеличением степени наполнения полимерных композиционных материалов гексагональным нитридом бором деградация кристаллической структуры полипропилена уменьшается. УФ-воздействие также привело к повышению гидрофильности поверхности образцов, что выражается в присутствии широкой линии гидроксогруппы в области 3000 см-1.

Рисунок 2. ИК спектры полимерного композита на основе полипропилена с 25 % (масс.) нитрида бора гексагонального после испытаний устойчивости к ультрафиолетовому излучению

Спектры же полипропилена, наполненного 20 % (масс.) смесью углеродных волокон и нанотрубок до и после испытаний, практически не отличаются друг от друга, в первую очередь это вызвано искажением спектра в виду сильного поглощения ИК-излучения углеродной составляющей материала.

На основании полученных данных, можно судить о наличии в образцах композитов на основе полипропилена, углеродного волокна ВМН-4 и углеродных нанотрубок малого количества связей C=O, в виду присутствия пика в области 1730 см-1, однако, достоверно судить о количестве данных связей в образцах не представляется возможным в связи с искажениями спектров.

3.2. Результаты исследования изменения поверхности полимерных композитов

В таблице 1 представлены результаты исследования изменения поверхности экспериментальных образцов полимерных композитов, наполненных нитридом бора гексагональным. Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что наполнение полипропилена нитридом бора гексагональным повышает устойчивость поверхности полимерных композитов к ультрафиолетовому излучению. Увеличение степени наполнения приводит к меньшей деградации поверхности, проявляющейся в увеличении гидрофильности, что хорошо согласуется с результатами исследования изменения молекулярной структуры экспериментальных образцов полимерных композитов.

Таблица 1. Результаты изменения краевого угла смачивания поверхности полимерных композитов, наполненных нитридом бором гексагональным вследствие испытания устойчивости к ультрафиолетовому излучению

Степень наполнения BN	Краевой угол смачивания, гр
	До испытания	После испытания

Анализ результатов исследования изменения поверхности экспериментальных образцов полимерных композитов, наполненных смесью углеродных волокон и нанотрубок (табл. 2), позволяет сделать вывод о том, что наполнение полипропилена углеродными материалами делает данные полимерные композиты устойчивыми к ультрафиолетовому излучению. Данный факт объясняется тем, что углеродные материалы активно поглощают ультрафиолетовое излучение.

Таблица 2. Результаты изменения краевого угла смачивания поверхности полимерных композитов, наполненных углеродным волокном и нанотрубками вследствие испытания устойчивости к ультрафиолетовому излучению

Степень наполнения УВ+УНТ	Краевой угол смачивания, гр
	До испытания	После испытания

4. Заключение

Согласно результатам исследования устойчивости композитов на основе полипропилена к ультрафиолетовому излучению добавление в полимер гексагонального нитрида бора значительно снижает деградацию поверхности и кристаллической структуры композитов. Однако углеродные материалы активно поглощают ультрафиолетовое излучение, обеспечивая тем самым высокую устойчивость композитов на основе полимеров и углеродных волокон и нанотрубок к ультрафиолетовому излучению.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», Государственный контракт от 08 июля 2011 г. № 16.516.11.6099.

Рецензенты:

Серов Г. В., доктор технических наук, профессор кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ "МИСиС", г. Москва.

Кондаков С. Э., доктор технических наук, старший научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ "МИСиС", г. Москва.

Библиографическая ссылка

Кузнецов Д.В., Ильиных И.А., Чердынцев В.В., Муратов Д.С., Шатрова Н.В., Бурмистров И.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА К УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=7503 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»