CC BY
27
УДК 678.762
Конгапшев А.А., Биногерова Ф.А., Паштова Л.Р.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИБУТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА И МЕТАЛЛОВ W И ^
Конгапшев Аскер Анибальевич, магистрант 1 года кафедры химической экологии и биохимии, e-mail: [email protected];
Биногерова фарида Ахматовна, магистрант 2 года кафедры химической экологии и биохимии; Паштова Людмила Руслановна, к.х.н., старший преподаватель кафедры химической экологии и биохимии. Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, Нальчик, Россия 360000, Республика Кабардино-Балкария, Нальчик, ул.Чернышевского, д.173
В работе рассматривается возможное решение проблемы деструкции полибутилентерефталата под действием температуры, света и кислорода. Порошкообразные металлы, соли и оксиды металлов очень хорошо отражают ультрафиолетовый свет. Это свойство может быть использовано для фотостабилизации ПБТФ. Если добавка и в основном, и в возбуждённом состояниях химически инертна, то в её присутствии скорость фотохимического превращения полимера становится меньше.
Ключевые слова: полибутилентерефталат, фотостарение, фотостабилизация, вольфрам, медь, твердость.
PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITES BASED ON PBT AND METAL W AND Cu
Kongapshev A. A., Binogerova F.A.Pashtova L.R.
Kh.M. Berbekov Kabardino-Balkarian State University, Nalchik, Russia
The paper discusses a possible solution to the problem of degradation ofpolybutylene terephthalate under the influence of temperature, light and oxygen. Powdered salts and oxides of metals very well reflect UV light. This property can be used to photostabilization PBTF. If the additive and mainly in the excited States are chemically inert, in her presence, the speed of the photochemical transformations of polymer will be less.
Keywords: polybutylene terephthalate, photodegradation, photostability. tungsten, copper, hardness.
В последнее время наблюдается непрерывный рост объема производства полимерных материалов. Соответственно расширяются и области их применения. В связи с этим большое значение приобретают вопросы повышения качества, надежности и долговечности получаемых из них изделий. Один из наиболее существенных недостатков всех полимерных материалов является их низкая светостойкость. Эту проблему можно решить с помощью светостабилизации промышленно выпускаемых полимеров. В этом случае удается за короткие сроки придать полимерному материалу необходимые свойства. Достигается это введением в полимер различных добавок многоцелевого характера [1,2].
Добавка любого поглощающего вещества снижает интенсивность света, действующего на полимер. Если добавка и в основном, и в возбуждённом состояниях химически инертна, то в её присутствии скорость фотохимического превращения полимера станет меньше. Этот эффект снижения скорости за счёт ослабления света добавкой называют эффектом экранирования. Процесс деструкции протекает таким образом только в тонком поверхностном слое. Образующееся при поглощении света возбуждённое состояние
светостабилизатора дезактивируется в результате одного из ниже перечисленных процессов: люминесценции, внутренней конверсии,
интеркомбинационной конверсии.
Порошкообразные металлы очень хорошо отражают ультрафиолетовый свет. В то же время порошок металла в полимерной матрице может действовать как набор случайным образом расположенных зеркал, что приводит к многократному отражению света, проходящего через полимер. Активность неорганических пигментов связана с их полупроводниковыми свойствами. Реакционную способность металлов, а также солей и оксидов металлов связывают с возникновением анион - радикалов кислорода О^ • и О •. В некоторых работах получены доказательства образования перекисей металлов и атомарного кислорода [5,6,7].
Очевидно, наблюдаемый эффект будет существенно зависеть от концентрации порошка, размеров частиц и природы металла. Однако в литературе отсутствуют данные о том, как влияют неорганические светостабилизаторы на
фотоокисление ПБТФ. В связи с этим в данной работе предпринята попытка изучить изменение физико-механических свойств ПБТФ,
стабилизированного неорганическими веществами при фотоокислительной деструкции [2,3,4].
Изучив теоретические аспекты, в настоящей работе получили композиты ПБТФ с W и Си. Рабочие композиции на основе ПБТФ и перечисленных выше фотостабилизаторов готовили экструзией при температуре 230+10 0С на ленточном экструдере фирмы "ВеМ"
(Великобритания) с диаметром шнека 25мм (температура формирующей головки 220+10 0С).
Затем экструдаты гранулировали и использовали для изготовления соответствующих образцов для физико-механических исследований.
Плёночные образцы ПБТФ и его композиций готовили методом прессования под давлением согласно ГОСТ 16338-85 при температуре 230 0С и давлении 250 кгс/см2. Пластины на основе исходного ПБТФ и его композиций для измерения деформационно-прочностных свойств с размерами 100*10*1мм получали также методом прессования при температуре 240 0С и давлении 250кгс/см2 (ГОСТ 25.601-80). Фиксация формы изделия происходит в результате охлаждения в пресс-форме до температуры ниже температуры стеклования полимера (36-49 0С). Образцы, приготовленные для измерения деформационно-прочностных свойств, были подвергнуты фотостарению под действием УФ света.
Фотостарение исходного и стабилизированного ПБТФ.
Ускоренные испытания малой длительности проводились в устройстве для облучения (везерометре) согласно ГОСТ 11279.2-83. В везерометре образцы в виде пластинок устанавливают на наружной стороне вертикального цилиндрического барабана, вращающегося вокруг ультрафиолетовой лампы. Облучение образцов происходит при температуре 40 0С и длине волны А,>300нм. Известно, что облучение в течение 100ч в везерометре эквивалентно приблизительно одному году экранирования в природных условиях [1,3,4]. В везерометр устанавливались образцы в виде полосок размером 100*10*1мм. Изменение физико-химических характеристик исходного ПБТФ и композиций на его основе наблюдали в течение 20 суток (480 часов).
В работе был использован
полибутилентерефталат промышленного
производства марки - ПБТФ D-201 [7]. В качестве неорганических фотостабилизаторов были использованы вольфрам и медь. Физико -механические показатели измеряли через каждые 5 суток. В начале работы для исходных композиций до фотостарения были определены скорости сгорания образцов. Значения приведены в таблице 1.
Таблица 1. ^ Скорость горения образцов
№ Состав v,
п/п композиций мм/мин
1 ПБТФ (D-201) 26,2
2 ПБТФ (D-201) + 1,0% W 21,6
3 ПБТФ (D-201) + 1,0% Cu 13,6
Добавление металлов уменьшает скорость
горения.
Измерение показателя текучести расплава.
Показатель текучести расплава (ПТР), характеризующий реологические свойства расплавов ПБТФ и его композиций, определялся на капиллярном вискозиметре ИИРТ-М при температуре 230 0С и нагрузке 2,16кг. Оценку величины средневесовой молекулярной массы Mw ПБТФ и его композиций проводили по известным значениям ПТР по эмпирической формуле:
-0.557 , -1.114
^ПТР2д6 = 2,911 - 3,446 * 10"3 'Mw - 1.509*10"6 *Mw
где верхний индекс у обозначения ПТР означает температуру испытании в С, нижний - нагрузку, при которой выполнены измерения ПТР, кг.
Изменение показателей текучести расплава (ПТР) образцов через каждые 5 суток фотостарения представлены на рисунке 1.
г/10мин
2 1
о Н-1-1-1-1-1
О 5 10 15 20 г,сут
Рис. 1. Изменение ПТР композиций образцов 1-ПБТФ(0-201); 2- ПБТФ(Б-201)+1,0°/<^ 3- ПБТФ(Б-201)+1,0%Си
При рассмотрении реологических свойств наблюдается небольшой рост ПТР, что свидетельствует о снижении вязкости образцов. Также определяли твердость образцов по Шору, по шкале D при нагрузке 5 кг (ГОСТ 24621-91)[5,6]. Результаты занесены в таблицу 2. Добавление металлов практически не меняет твердость образцов. Но и в этом случае образец ПБТФ ф-201) + 1,0% Си показывает лучший результат. Теоретически вольфрам должен был увеличить твердость образца. По шкале Мооса коэффициент твердости вольфрама равен 6,0, а у меди - 3,0.
Таблица 2. Значениия твердости по Шору
Твердость HD
№ п/п Состав композиций Max (1c) Rel (15c) Max (1c) Rel (15c) Max (1c) Rel (15c) Max (1c) Rel (15c) Max (1c) Rel (15c)
Время облучения т, сут.
0 5 10 15 20
1 ПБТФ (D-201) 68,1 67,4 69,9 68,9 70,8 67,9 67,7 65,9 71,1 67,7
2 ПБТФ (D-201) + 1,0% W 66,9 65,2 70,9 68,1 67,6 65,9 68,9 66,9 70,9 68,1
3 ПБТФ (D-201) + 1,0% Cu 68,9 66,1 69,7 67,3 71,3 69,4 70,4 68,4 68,4 66,3
Следующим шагом стало определение ударной вязкости по Изоду при запасе энергии маятника А=1дж (ГОСТ 19109-84).Сравнение показателей ударной вязкости через каждые 5 суток представлены на диаграмме 1.
Диаграмма 1. Изменение показателей ударной вязкости при облучении УФ светом образцов:
1- ПБТФ(0-201); 2- ПБТФ(Б-201)+1,0°/<^ 3-ПБТФ(Э-201)+1,0%Си 2-
Как видно из диаграммы 1, добавление вольфрама и меди снижает показатели ударной вязкости. Исследования показали, что УФ свет очень негативно влияет на физико-механические свойства полимерного материала. Фотодеструкция приводит к ухудшению показателей ПТР, твердости, ударной вязкости. Возможным способом решения данной проблемы является добавление металлов в исходный полимерный материал. Свойства полученных образцов зависят от природы самого металла, от размерности частиц (чем меньше размерность
частиц, тем фотостабилизатор более эффективен). Планируется провести дальнейшие исследования имеющихся образцов на зависимость разрывного напряжения от времени фотостарения, зависимость тангенса диэлектрических потерь от времени фотостарения. Проводится работа по получению нанокомпозитов на основе полибутилентерефталата с добавлением солей и оксидов разных металлов.
Список литературы
1. Рэнби Б., Рабек Я. Фотодеструкция, фотоокисление, фотостабилизация полимеров. -М.: Мир, 1978.- 675с.
2. Hare Clive H. Photolitically induced degradation -effects of pigments // J. Prot. Coat. and Lining.-2000. VoL 17. № 4.-C. 54-64.
3. Tullo A.H. Plastics. Additives steady evolution // Chem. And Eng. News.-2000. VoL. 78. № 49.-P. 21-31.
4. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Свойства и переработка термопластов.-Л.: Химия, 1983.288 с.
5. Паштова Л.Р. Фотостабилизация ПБТФ УФ-абсорберами различного механизмадействия: дис.... канд. хим. наук.-Нальчик, 2004.-116 с.
6. Борукаев Т.А., Машуков Н.И., Микитаев А.К. Стабилизация и модификация полибутилентерефталатов различными добавками. Нальчик: Каб.-Балк. Ун-т, 2002.-80 с.
7. Gerald Scott, Some fundamental aspekts of the photooxidation and stabilization of polymers // British polimer journal.- 1984. VoL 16.-P. 271-283.
