Введение к работе
Актуальность проблемы. Бод действием ультрафиолетового излучения в структуре полимеров происходят необратимые изменения, которые ведут к утрате материалом исходных эксплуатационных характеристик, т.е. к его старению. В последнее время много внимания уделяется изучению процессов, имеющих место при УФ-облучении композиций полимеров с дисперсными наполнителями неорганического происхождения. Интерес к данной проблеме вызван обнаруженной ранее способностью ряда неорганических соединений, в частности, оксидов некоторых металлов, влиять в различной степени на скорость старения полимерных материалов под действием УФ-излучения.
Светозащитное действие большинства неорганических наполнителей в отношении кристаллизующихся полимеров исследозано недостаточно, что обусловлено целым комплексом процессов, которые инициируются УФ-облучением в структуре наполненного полимера: поглощение и преобразование энергии на границе раздела компонентов, цепные реакции фотоокислительной деструкции, изменения надмолекулярных образований и -термодинамического равновесия. ' Изменения состава и строения макромолекул и надмолекулярных образований облучаемых наполненных полимеров, как правило, не рассматривались совместно. Это не позволяло достоверно охарактеризовать механизмы светозащитного действия наполнителей различной природы ' и давать рекомендации об их оптимальном содержании в полимерных композициях, устойчивых к УФ-облучению.
Необходимость проведения подобных исследований, которые охватывают наиболее важные процессы, протекающие под действием УФ-облучения на молекулярном и надмолекулярном уровнях наполненного полимера, давно назрела. Производство полимерных композиций, содержащих наполнители неорганической природы, постоянно растет. Разнообразные изделия из таких композиций довольно часто подвергаются в процессе эксплуатации"воздействию интенсивного УФ-излучения (например, в южных регионах страны), что делает неизбежным применение специальных светостабилизирующих добавок для предотвращения ухудшения эксплуатационных свойств материалов. Можно ожидать, что, используя способность некоторых весьма доступных и относительно дешевых неорганических веществ защищать полимеры от УФ-6блучения, в ряде случаев удастся добиться необходимого уровня стабильности свойств материалов в процессе
эксплуатации без дополнительного введения в композицию специальных светостабилизаторов, что обернется определенным экономическим эффектом. Кроме того, иногда применение традиционных органических светостабилизаторов затруднено из-за их токсичности. Например, в курортных районах с высокой плотностью населения нежелательно иметь производства по переработке полимеров, связанные с использованием подобных веществ, из-за опасности попадания их в окружающую среду.
Таким образом, разработка полимерных композиционных материалов, содержащих такие неорганические наполнители, которые одновременно выполняют функцию светостабилизаторов (а также не обладают токсичными свойствами), представляется актуальной задачей. В качестве основы указанных композиций можно предложить использовать полиэтилен (ПЭ), как- наиболее широко применяемый в настоящее время материал с хорошо изученными свойствами, отличающийся легкостью переработки, экологической чистотой и достаточной устойчивостью к действию климатических факторов старения. Наполнителями в данном случае могут служить оксиды металлов, способные вызывать уменьшение скорости старения полиэтилена под действия УФ-облучения.
Цель работы состояла в разработке состава стойких к УФ-облучению композиционных материалов на основе полиэтилена и оксидов некоторых металлов.
Задачи работы:
Устойчивость композиций на основе кристаллизующихся полимеров с дисперсными неорганическими наполнителями к действию различных факторов зависит, как известно, от характеристик надмолекулярной структуры полимера. Поэтому на первом этапе работы было необходимо исследовать влияние добавок оксидов металлов различной природы в широком диапазоне концентраций на надмолекулярную структуру и связанные с ней термодинамические характеристики полиэтилена. На втором этапе изучались процессы фотоокислителыюй деструкции макромолекул, а также изменения параметров надмолекулярной структуры и основных физико-механических свойств ПЭ с добавками оксидов металлов, вызванные действием УФ-облучения. Анализ полученных данных позволил установить наиболее вероятные причины светозащитного действия наполнителей различной природы, определить их оптимальное содержание в композициях и эффективность светозащитного действия в отношении полиэтилена. На основании этого на третьем этапе работы выбраны наиболее эффективные светостабилизаторы ПЭ среди изученных оксидов металлов, которые
предназначены для получения композиционных материалов, устойчивых к действию УФ-облучения. Научная новизна:
1. Изучено влияние оксидов алюминия, кремния, титана и цинка
на изменения молекулярной и надмолекулярной структуры, а также
физико-механических свойств полиэтилена при УФ-облучении.
Установлено, что наиболее вероятными причинами светозащитного
действия оксидов металлов в отношении ПЭ являются: образование
более упорядоченной и термодинамически равновесной надмолекулярной
структуры полимера в процессе его кристаллизации из расплава в
присутствии частиц диоксидов титана и кремния, либо инициированное
УФ-облучением химическое взаимодействие между макромолекулами
полиэтилена и оксидом цинка.
2. Показано, что эффективность светозащитного действия
диоксида титана в отношении полиэтилена зависит от типа
кристаллической решетки ТіС^ и в меньшей степени - от наличия
поверхностного покрытия на его частицах. Среди исследованных
образцов диоксида титана наилучшим светостабилизатором ПЭВП
является TiCv, рутильной модификации, обработанный по поверхности
соединениями алюминия, кремния и цинка.
3. Получены устойчивые к действию УФ-облучения материалы на
основе полиэтилена и оксидов металлов, не содержащие добавок
органических светостабилиэаторов.
Практическая ценность. Полученные материалы на основе линейного ПЭВП с добавками оксида цинка отличаются от исходного полимера повышенной устойчивостью к действию УФ-облучения и могут быть рекомендованы для производства полимерных изделий, которые предназначены для относительно длительной эксплуатации в условиях влажного субтропического климата.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на 7-ой Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ - 7" (Москва, 1993г.); Научной конференции специалистов и молодых ученых Сочинского НИЦ РАН (Сочи, 1994г.); Ежегодной конференции Сочинского филиала Российского государственного педагогического университета им.А.И.Герцена (секция естествознания) (Сочи, 1994г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов, выводов, списка цитируемой литературы и приложения.