Μελέτη της επίδρασης νανοσωματιδίων στη γήρανση του πολυαιθυλενίου
Authors: Γρηγοριάδου Ιφιγένεια 
Published: September 2021

Το Πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας είναι πολύτιμο πολυμερές για εφαρμογές σε πολλούς εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους. Λόγω ότι η Γη περιβάλλεται από μία πλούσια σε οξυγόνο ατμόσφαιρα και λαμβάνοντας, επίσης, υπόψη ότι οι περισσότερες πολυολεφίνες είναι σημαντικά ευαίσθητες στην υπεριώδη ακτινοβολία όταν το οξυγόνο είναι παρόν, λόγω των ακαθαρσιών στη δομή τους – ομάδες καρβονυλίου, υπεροξείδιου, μπορεί να προκύψουν σημαντικά προβλήματα. Προκειμένου να παραταθεί η διάρκεια ζωής των τροφίμων και επίσης να αποφευχθούν μικροβιακές αλλοιώσεις, συνήθως προστίθενται αντιμικροβιακοί παράγοντες στο HDPE. Τα ιόντα χαλκού και τα νανοσωματίδια Ag είναι ευρέως γνωστά για τις αντιμικροβιακές τους ιδιότητες και χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές. Ωστόσο, δεν υπάρχει διαθέσιμη μελέτη για το πώς αυτά τα νανοσωματίδια επηρεάζουν τη σταθερότητα του HDPE, ειδικά κατά του ηλιακού φωτός. Έτσι, ο στόχος της τρέχουσας διατριβής είναι να αξιολογήσει την επίδραση των νανοσωματιδίων του χαλκού και των νανοσωματιδίων αργύρου στη UV σταθερότητα του HDPE. Τα νανοσύνθετα HDPE με διαφορετικές ποσότητες νανοϊνών χαλκού παρασκευάστηκαν με ανάμιξη τήγματος σε διπλοκόχλιο εκβολέα Haake-Buchler. Από τις μικρογραφίες SEM διαπιστώθηκε ότι υπάρχει ικανοποιητική διασπορά τους στην πολυμερική μήτρα. Η αντοχή στον εφελκυσμό δεν επηρεάστηκε από την προσθήκη νανοσωματιδίων και ενισχύθηκε μόνο το μέτρο του Young. Όλα τα νανοσύνθετα υπό μορφή ισόπαχων λεπτών φιλμ εκτέθηκαν σε υπεριώδη ακτινοβολία στα 280 nm για αρκετές ημέρες. Όπως επαληθεύθηκε από τις μετρήσεις FTIR, ο μηχανισμός φωτοοξείδωσης αποτελείται από μακροσκοπική διάσπαση της αλυσίδας, σχηματισμό ενώσεων με ακόρεστες, υδροξυλικές και καρβονυλικές ακραίες ομάδες. Επίσης, από τη φασματοσκοπία FTIR και τη μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων εξάχθηκε το συμπέρασμα ότι η προσθήκη νανοϊνών χαλκού ενισχύει τη UV σταθερότητα του HDPE. Από την ακουστική μικροσκοπία επιβεβαιώθηκε ότι η αποικοδόμηση με υπεριώδη ακτινοβολία είναι μια διαδικασία διάχυσης οξυγόνου και η προσθήκη νανοϊνών χαλκού καθυστερεί την πρόοδό της. Τα νανοσύνθετα HDPE που περιέχουν διαφορετικές συγκεντρώσεις νανοσωματιδίων αργύρου (Ag) (0.5%, 1.0%, 2.0%, 3.0% και 5.0% wt.) παρασκευάστηκαν με ανάμιξη τήγματος σε διπλοκόχλιο εκβολέα Haake-Buchler. Τα νανοσύνθετα υπό μορφή ισόπαχων λεπτών φιλμ εκτέθηκαν σε ακτινοβολία UV στα 280 nm σε σταθερή θερμοκρασία (25 ° C) και σχετική υγρασία (50%) για μερικές ώρες. Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν για τη φωτοχημική τους σταθερότητα με διάφορες μεθόδους. Από τη φασματοσκοπία FTIR διαπιστώθηκε ότι σχηματίστηκαν νέες χημικές ενώσεις κατά τη διάρκεια της έκθεσης με υπεριώδη ακτινοβολία που συμπεριλαμβάνουν ομάδες καρβονυλίου, βινυλίου και υδροξυλίου / υδροξυ-υπεροξειδίου. Σύμφωνα με τα φάσματα, τα νανοσωματίδια δρουν ως αναστολείς του μηχανισμού φωτο-οξείδωσης του πολυμερούς. Επιπλέον, καθώς η συγκέντρωση των νανοσωματιδίων αυξάνεται, επιτυγχάνεται καλύτερη προστασία. Περαιτέρω μελέτη των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με δοκιμές αντοχής σε εφελκυσμό, που έδειξαν ότι το καθαρό HDPE επηρεάστηκε σημαντικά από ακτινοβόληση με υπεριώδη ακτινοβολία, ενώ τα νανοσύνθετα με Ag επηρεάστηκαν σε μικρότερη έκταση. Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των νανοσωματιδίων στη μήτρα του πολυμερούς, τόσο περισσότερο μειώνουν την κινητικότητα των μορίων, αναστέλλοντας έτσι τη σχάση αλυσίδας του HDPE. Ο βαθμός κρυσταλλικότητας επηρεάστηκε επίσης από τον χρόνο έκθεσης σε υπεριώδη ακτινοβολία και την προσθήκη νανοσωματιδίων. Τέλος, ο μηχανισμός θερμικής αποικοδόμησης του HDPE και του νανοσύνθετου του με 1.0% wt. Ag πριν και μετά την έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία μελετήθηκε με χρωματογραφία πυρόλυσης-αερίου-φασματοσκοπίας μάζας (Py-GC / MS).