Влияние ультразвуковой обработки расплава полиэтилена на его адгезионные свойства

ш

УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА

УДК 621.798.4:66.084

Влияние ультразвуковой обработки расплава полиэтилена

на его адгезионные свойства

А.О. Уткин, аспирант, В.В. Ананьев, канд. техн. наук, профессор Московский государственный университет прикладной биотехнологии

Из литературных данных известно, что обработка ультразвуком (УЗ) некоторых полимерных материалов благоприятно влияет на адгезионные свойства получаемых на их основе многослойных пленок [1, 2]. Однако полученные данные служат лишь регистрацией полученного эффекта, но не позволяют понять причину его возникновения.

Такое явление может быть по-разному объяснено с точки зрения существующих теорий адгезии. Например, можно полагать, что ультразвуковая обработка расплава полиэтилена способствует снижению вязкости, повышению текучести расплава, и, как следствие, способствует его более глубокому проникновению во все неровности поверхности субстрата. Однако многочисленные исследования [4] свидетельствуют об известной ограниченности теории механического зацепления. С сточки зрения адсорбционной теории установление адгезионного взаимодействия рассматривается как результат действия межатомных и межмолекулярных сил, например, водородных связей, при сближении поверхностей на достаточно близкое расстояние. Разумеется, на границе раздела фаз могут образовываться связи, энергия которых выше Ван-дер-Ва-альсовых. Примером может служить аутогезия полимеров, подвергнутых поверхностному окислению, например, при действии коронного разряда (рис.1).

Ключевые слова: ультразвук; модификация полимеров; адгезия; лами-нация.

Key words: supersound; polymer modification; adhesion; lamination.

В данной работе мы исходили из предположения, что на поверхности пленки, полученной из обработанного УЗ расплава полиэтилена, функциональные группы (например, окисленные группы, такие как карбонильные или гидроксильные группы) могут образовываться в большем количестве, чем в пленках, полученных без обработки. Это должно способствовать усилению адгезионного взаимодействия между поверхностями при изготовлении пленок методами соэкструзии или экст-рузионного ламинирования.

Образцы пленочных материалов получали на лабораторной экструзи-онно-ламинаторной установке, снабженной узлом УЗ обработки расплава непосредственно в процессе получения пленок.

В качестве метода для установления наличия функциональных групп был использован метод ИК-Фурье

спектроскопии с приставкой многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО). Это неразрушающий метод исследования поверхностного слоя, основанный на возникновении «затухающей волны» на границе раздела фаз образца и материала призмы, контактирующей с ним. Проникая на некоторую глубину в оптически менее плотную среду образца «затухающая» ИК-волна регистрирует спектр поглощения (пропускания) ультратонких верхних слоев образца. Спектры МНПВО анализировали обычным способом по библиотекам ИК-спектров веществ в конденсированном состоянии.

Были получены спектрограммы (рис. 2, 3) поверхностных слоев четырех видов полиэтиленовой пленки, полученных при одинаковом температурно-скоростном режиме: из расплава, не подвергнутого обработке УЗ; из расплава, обработанного УЗ при различных интенсивностях обработки.

При анализе с помощью стандартных методов обработки спектров обнаружены различия в спектрограммах в области волновых чисел 1720 см-1 и 3300 см-1. При этом интенсивность этих изменений растет с увеличением интенсивности обработки УЗ. Полученные данные дают серьезные основания полагать, что на поверхности полиэтиленовой пленки, полученной из расплава полиэтилена, обработанного УЗ в процессе экструзии, повышается концентрация карбонильных (рис. 4) и гидроксильных групп, которые, согласно адсорбционной теории адгезии, как раз и могут стать причиной усиления адгезионного взаимодействия [4, 5].

В дополнение к полученным результатам был проведен эксперимент по экструзионному ламинированию расплавом полиэтилена пле-

Рис. 1. Возможные механизмы образования водородной межфазной связи при аутогезионном взаимодействии поверхностей окисленного полиэтилена за счет таутомеризации и в присутствии молекул воды

1000 1500 1720 2000 2500 3000 3500

Рис. 2. Спектрограмма поверхностного слоя пленки из полиэтилена, расплав которого не обработан УЗ

К Г

0,8 т 1

0,6 1 1 1

0,4 1 1

1000 1500 1720 2000 2500 3000 3500 Рис. 3. Спектрограмма поверхностного слоя пленки, полученной из полиэтилена обработанного в расплаве ультразвуком максимальной интенсивности

PACKAGING AND LOGISTICS

1

2

3

4

Рис. 4. Гистограмма относительного содержания карбонильных групп в поверхностном слое пленок, полученных при различной интенсивности обработки полиэтилена УЗ:

1 - без обработки; 2 - обработка с минимальной интенсивностью; 3 - обработка средней интенсивности; 4 - обработка с максимальной интенсивностью

нок из полиэтилентерефталата, неориентированного полипропилена и полиамида. Ламинирование проводили при тех же параметрах экструзии, что и при получении однослойных полиэтиленовых пленок, поверхность пленки-основы (подложки) перед нанесением расплава обрабатывали коронным разрядом, расплав полиэтилена обрабатывали УЗ. Адгезионную прочность полученных образцов определяли методом расслаивания под углом 180°. Результаты испытаний при использовании в качестве основы пленки из полиамида приведены в табл. 1. Результаты испытаний при использовании других пленок-основ аналогичны приведенным.

Сравнивая результаты измерений адгезионной прочности пленок с результатами анализа ИК МНПВО спектров полиэтиленовых пленок, можно заметить явную корреляцию между адгезионной прочностью и содержанием окисленных групп. Отсюда можно предположить, что повышение содержания растворенного кислорода в гранулах полимера по сравнению с обычной концентрацией будет способствовать увеличению количества функциональных групп на поверхности пленки, полученной из такого полимера и, как следствие, благоприятно скажется на ее адгезионной способности.

Для проверки этого предположения провели следующий эксперимент. Гранулы полиэтилена вакуу-мировали в специально изготовленном герметичном бункере, который в дальнейшем также герметично крепили к загрузочному окну экст-рудера, до полного удаления газов из полимера. Затем в бункер подавали кислород, доводя давление до величины чуть больше 1 атм. Выдерживали гранулы до насыщения их кислородом. Время сорбции и де-

Таблица 1

Сопротивление расслаиванию образцов пленки полиэтилен-полиамид, полученных при различных способах обработки материалов

Образец Сопротивление расслаиванию, Н/м

Нанесен необработанный расплав полиэтилена на поверхность необработанной пленки 41

Нанесен необработанный расплав полиэтилена на предварительно обработанную коронным разрядом поверхность пленки 116

Нанесение расплава полиэтилена, обработанного УЗ при максимальной интенсивности, на предварительно обработанную коронным разрядом поверхность пленки 311

Таблица 2

Сопротивление расслаиванию образцов пленки полиэтилен-полиамид, полученных, в том числе, с использованием гранул полиэтилена, обогащенных кислородом

Образец

Сопротивление расслаиванию, Н/м

Нанесение расплава из гранул полиэтилена, предварительно насыщены кислородом, на предварительно обработанную коронным разрядом поверхность пленки из полиамида

Нанесение расплава полиэтилена, обработанного УЗ максимальной интенсивности, на предварительно обработанную коронным разрядом поверхность пленки из полиамида

Нанесение расплава полиэтилена, обработанного УЗ максимальной интенсивности, на предварительно обработанную коронным разрядом поверхность пленки из полиамида. Гранулы полиэтилена предварительно насыщены кислородом

180

311

644

сорбции вычисляли, исходя из диффузионных характеристик полимера и размеров гранул. Для гарантии рассчитанное время увеличили до 1 сут. Затем проводили процесс экст-рузионного ламинирования при описанных ранее режимах. Результаты испытаний полученных образцов на расслаивание приведены в табл. 2.

Как видно из результатов исследований, адгезионная прочность многослойных пленок при экструзион-ном ламинировании в основном определяется наличием на поверхности экструдируемого полимера окисленных групп. При этом обработка расплава УЗ колебаниями существенно увеличивает их концентрацию и значительно (в 2-3 раза) повышает сопротивление расслаиванию получаемых пленок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Уткин, А.О. Повышение адгезионной прочности многослойных полимерных материалов/А.О. Уткин// Пищевая промышленность. - 2010. -№ 12. - С. 78-79.

2. Ананьев, В.В. Как усилить при-тяжение?/В.В. Ананьев, О.А. Банникова, А.О. Уткин//Раскад1пд. - 2010. -№ 4/5. -С. 28-30.

3. Негматов, С.С. Технология получения полимерных покрытий/С.С. Негматов. - Ташкент: ФАН, 1975. -231 с.

4. Кинлок, Э. Адгезия и адгезивы. Наука и технология/Э. Кинлок. - М.: Мир, 1991. - 488 с.

5. Инфракрасные спектры поглощения полимеров и вспомогательных веществ/под ред. В.Н. Чуланов-ского. - М.: Химия, 1969.