Влияние электретирования на смачивание пленок из полистирола

УДК 621.317.61

Е. А. Желтухина, М. Ф. Галиханов

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРЕТИРОВАНИЯ НА СМАЧИВАНИЕ ПЛЕНОК ИЗ ПОЛИСТИРОЛА

Ключевые слова: полистирол, короноэлектрет, смачивание, поверхностное натяжение.

В работе изучено влияние электретирования на значения смачивания пленок из полистирола и его композиций с различным содержанием (2 и 4%) аэросила А-300. Установлено, что при обработке полимерных композиционных пленок коронным разрядом значение их поверхностного натяжения возрастает. Приведены объяснения наблюдаемых закономерностей.

Keywords: polystyrene, coronoelektret, wetting, surface tension.

This paper studied the effect of electrization on wetting films ofpolystyrene and its compositions with different contents (2 and 4%) Aerosil A-300. Found that the corona treatment of polymer composite films increases the value of the surface tension. An explanation of the observed patterns.

Введение

Явление смачивания полимеров различными жидкостями имеет важное значение в промышленной технологии, например, при нанесении лакокрасочных покрытий, качественной печати на пленочных изделиях и т. д. Среди методов изменения поверхностных свойств полимеров (УФ-излучение, газоразрядное воздействие, плазменная обработка и др.) часто используемым является коронный разряд, влияние которого на смачивание достаточно хорошо изучен. Активные компоненты «плазмы» коронного разряда (электроны, ионы обоих полярностей) способны инициировать химические реакции в поверхностных слоях полимера. Основными продуктами взаимодействия электронов и ионов с макромолекулами являются свободные радикалы, ненасыщенные соединения, межмолекулярные сшивки, газообразные продукты. В том случае, если коронирование происходит в воздушной атмосфере, имеют место вторичные реакции, связанные с процессами окисления. Таким образом, во время обработки коронным разрядом носители заряда проникают в поверхность материала, разрушая длинные молекулярные цепочки и создавая некоторое количество открытых молекулярных концов, образующих карбонильные группы с атомами кислорода. В результате происходит образование полярных молекул, увеличивающих поверхностную энергию материала [1].

В случае униполярного коронного разряда носителями заряда являются либо электроны и отрицательные ионы, либо положительно заряженные частицы. В результате помимо процесса окисления происходит электретирование, т. е. образование электрета - диэлектрика, обладающего постоянным электрическим полем. Подобные материалы относятся к «умным»,

«интеллектуальным» и в последнее время находят все большее применение [2-4]. Причем во многих случаях практического использования электретные материалы находятся в контакте с различными жидкостями (фильтры, антитромбогенные имплантанты в медицине). В связи с этим вопрос смачивания полимерных электретов является актуальным. Однако влияние электретирования в

коронном разряде на смачивание практически не исследовано. Поэтому целью настоящей работы явилось изучение влияния электретирования на значения смачивания полимерных пленок.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования были выбраны пленки из полистирола (ПС) и его композиций с различным процентным содержанием (2 и 4%) аэросила марки А-300. Смешение полистирола с аэросилом осуществляли при помощи экструдера Brabender, после чего полученные композиции прессовали в пластинки толщиной 0,15 мм.

Обработка коронным разрядом

осуществлялась следующим образом. Образцы помещали на нагретый до 90°С нижний электрод и осуществляли их прогрев в течение 10 минут. Затем на верхний электрод в виде иглы подавали напряжение 5 кВ и в течение 30 секунд поляризовали пленки до значений потенциала поверхности Уэ 0,4^0,5 кВ. Измерение потенциала поверхности Уэ проводили с помощью метода

емкостного зонда на установке, состоящей из высокоскоростного электростатического вольтметра марки TREK - 370 и цифрового мультиметра Voltcraft M4650CR, контролируемого компьютером.

Углы смачивания образцов водой 0н2о и дийодметаном 0ch2j2 определяли с помощью прибора EasyDrop. Пленку из полистирола помещали на столик, на который направлена видеокамера. С помощью системы двойного дозирования наносили капли жидкости на исследуемую поверхность. Камера записывает процесс формирования капли на поверхности и передает изображение на компьютер, на котором автоматически определяется базовая линия и определяются значения краевого угла смачивания полистирола водой и дийодметаном (рис. 1). По полученным данным программного обеспечения с помощью метода ОВРК (Оунса-Вендта-Рабеля-Кьельбле) производятся расчеты значений поверхностного натяжения у, его полярной ур и дисперсной yd составляющих.

!

Рис. 1 - Определение краевого угла смачивания полистирола водой

Результаты и их обсуждение

Ранее в ряде работ [5-7] рассматривалось влияние электретирования на изменение смачиваемости полимеров. Так в работах А. Б. Гильман и др. [5, 6] рассмотрено воздействие разрядов постоянного тока на изменение химической структуры полимера и свойств

поверхности пленок, а именно, краевого угла смачивания и плотности поверхностного заряда. В проведенных исследованиях было показано, что в результате воздействия коронного разряда на

пленки полипропилена и поли[1-(триметилсилил)-1-пропина] происходит окисление поверхности, вследствие чего происходит их гидрофилизация, т. е. улучшение смачиваемости поверхности водой.

В работе В. Г. Плевачука и др. [7] была предпринята попытка оценки влияния электретирования на смачивание пленок из

пентапласта. Было показано, что поляризация

пленок и увеличение заряда металл-полимерного электрета обусловливает понижение начальной скорости растекания диэтиленгликоля и уменьшение площади касания капли и пленки, что говорит об ухудшении смачиваемости пленки жидкостью.

Таким образом, описанные выше исследования противоречивы. Очевидно, для каждого конкретного полимера влияние того или иного метода электретирования на изменение поверхностных свойств различно.

Проведенные в данной работе исследования показали, что краевой угол смачивания полистирола водой составляет 77,35, а дийодметаном - 23,6 (табл.1). Рассчитанное по методу ОВРК поверхностное натяжение составляет 47,02 мН/м, что согласуется с литературными данными [8]. При этом полярная составляющая поверхностного натяжения значительно меньше неполярной составляющей.

При электретировании в коронном разряде значение краевого угла смачивания полистирола водой возросло и составило 78,85, а дийодметаном уменьшилось до 13,6 (табл. 1). При этом

поверхностное натяжение электретированной полистирольной пленки оказалось выше, по сравнению с исходной пленкой. Повышение поверхностного натяжения пленки полистирола при

электретировании на 6 % можно объяснить

следующим образом. Процесс смачивания сопровождается растеканием жидкости по твердому телу и сорбцией молекул жидкости в объем подложки [7]. Поляризационный заряд электрета создает энергетический барьер на преодоление которого расходуется движущая сила растекания [6], поэтому интенсивность протекания сорбционных процессов в электретных пленках меньше, чем в исходных. Это приводит к повышению углов смачивания полистирола полярными жидкостями, например, водой (табл. 1).

Таблица 1 - Значения поверхностного натяжения полистирола, его композиций с аэросилом и электретов на их основе

0Н2О 0ОИ212 Уp, мН/м мН/м у, мН/м

ПС 77,35 23,6 3,64 43,38 47,02

ПС электрет 78,85 13,6 2,39 48,17 50,55

ПС+А-300 (2%) 84,05 29,6 1,63 44,27 45,89

ПС+А-300 (2%) электрет 84,95 24,75 1,08 47,52 48,60

ПС+А-300 (4%) 83,95 32,4 1,88 42,51 44,39

ПС+А-300 (4%) электрет 83,95 25,55 1,39 46,47 47,85

При наполнении полистирола аэросилом значения поверхностного натяжения снижаются, причем такая зависимость наблюдается и для электретных материалов (табл. 1). Такую

закономерность можно объяснить следующим.

Высокие напряжения сдвига, необходимые для эффективного смешения полимера и

высокодисперсного наполнителя, неизбежно

приводят к протеканию механохимических процессов в полимере. Под действием высоких напряжений сдвига некоторые молекулярные цепи оказываются под нагрузкой, превышающей

прочность химической связи. При этом

макромолекула разрывается с образованием радикалов, обусловливающих снижение

поверхностного натяжения полимера, в т. ч. за счет образования кислородосодержащих групп [9]. К тому же, аэросил является более полярным материалом, чем полистирол, и нахождение частиц наполнителя в поверхностном и приповерхностном слоях повышает смачиваемость композиционного материала в целом.

Видно, что чем больше содержание наполнителя, тем ниже значение поверхностного натяжения. Так, введение в полистирол 2 % аэросила приводит к уменьшению значения поверхностного натяжения на 2 %, 4 % аэросила -

на 6 %. Перевод композиций ПС с аэросилом в электретное состояние также снижает их смачиваемость низкомолекулярными жидкостями на 6 %, что подтверждает ранее выявленные факты.

Таким образом, в работе измерены значения поверхностного натяжения пленок из полистирола и его композиций с различным процентным содержанием аэросила. Проведенные исследования показали, что в результате электретирования значения поверхностного натяжения

увеличиваются, смачивание пленок ухудшается. При наполнении полистирола аэросилом значения поверхностного натяжения снижаются, причем такая зависимость наблюдается и для электретных материалов.

Авторы выражают признательность профессору Реймунду Герхарду (Reimund Gerhard) и его группе (Факультет математики и физики, Университет Потсдама, Германия - Universitat Potsdam, Faculty of Mathematics and Science, Germany) за помощь в проведении и обсуждении эксперимента.

Литература

1. Райзер Ю. П. Физика газового разряда 2-е изд / Ю. П.Райзер — М.: Наука, 1992. — 536 с.

2. Пинчук Л. С. Электретные материалы в машиностроении / Л. С. Пинчук, В. А. Гольдаде -Гомель: Инфотрибо, 1988. - 288 с.

3. Галиханов М.Ф. Полимерные короноэлектреты: традиционные и новые технологии и области применения / М.Ф. Галиханов, Р.Я. Дебердеев //Вестник Казанского технол. университета. - 2010. - № 4. - С. 4557.

4. Галиханов М.Ф. Влияние наполнителя на электретный эффект в полистироле / М.Ф. Галиханов, Д.А. Еремеев, Р.Я. Дебердеев // Вестник Казанского технол. университета. - 2003. - № 1. - С. 299-305.

5. Гильман А.Б. Пленки полипропилена в разряде постоянного тока/ А.Б Гильман, Л.А. Ришина, А.И. Драчев, Л.С. Шибряева // Химия высоких энергий. -2001. - Т.35. - №2. - С.151-156.

6. Гильман А.Б. Изменение свойств поверхности поли[1-(триметилсилил)-1-пропина] под воздействием разряда постоянного тока / А.Б. Гильман, В.В. Волков, А.И. Драчев, Я.А. Селинская // Химия высоких энергий. -2000. - Т.34. - №4. - С.320-324.

7. Плевачук В. Г. Влияние заряда полимерного электрета на растекание жидкости / В. Г. Плевачук, И. М. Вертячих, В.А. Гольдаде, Л.С. Пинчук // Высокомолекул. соед. - 1995. - Сер. А. - Т. 37. - № 10. -С. 1728-1731.

8. Старостина И. А. Кислотно-основные взаимодействия и адгезия в металл-полимерных системах / Старостина И. А., Стоянов О. В. - Казань: КГТУ, 2010. - 200 с.

9. Брык М. Т. Деструкция наполненных полимеров / Брык М. Т. - М: Химия, 1989. - 192 с.

© Е. А. Желтухина - асп. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, elenazheltukhina@mail.ru; М. Ф. Галиханов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, mgalikhanov@yandex.ru.