Влияние длины волны УФ-света на кинетику фотодеструкции полистирола

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2018, том 61, №4_

ФИЗИКА ПОЛИМЕРОВ

УДК 541.64.539.2

С.Дж.Гафуров, Ф.Х.Истамов, член-корреспондент АН Республики Таджикистан Т.Б.Бобоев

ВЛИЯНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ УФ-СВЕТА НА КИНЕТИКУ ФОТОДЕСТРУКЦИИ ПОЛИСТИРОЛА

Таджикский национальный университет

Проведено исследование влияния предварительного УФ-облучения светом с длинами волн Х1=254 нм и Х2=365 нм на разрывную прочность, молекулярную массу, число разрывов связей и кинетику накопления кислородсодержащих концевых групп полистирола. Показано, что при одинаковой поглощённой дозе излучения квантовый выход фотодеструкции полистирола под действием света с длиной волны Х1=254 нм в два раза превосходит таковой под действием света с Х2=365 нм.

Ключевые слова: полистирол, фотодестукция, УФ-свет, молекулярная масса, квантовый выход.

Нестабильность физико-механических свойств полимеров в условиях действия УФ-света способствовала появлению ряда работ, посвящённых влиянию монохроматического УФ-света и касающихся эксплуатационных свойств полимеров [1-4].

В литературе имеются противоречивые точки зрения об эффективности действия квантов УФ-света различной длины волны на кинетику фотодеструкции полимеров. Известно [5,6], что в зависимости от длины волны УФ-света в полимерах происходят различные деструкционные процессы, отличающиеся по механизму. Относительно длинноволновое излучение 365 нм вызывает преимущественно фотоокислительные процессы, тогда как коротковолновый свет 254 нм вызывает фотодеструкцию без участия кислорода воздуха.

Так, в [7] найдено, что интенсивность фотодеструкции полиэтилентерефталата (ПЭТФ) больше при облучении светом с Х=315 нм. В то же время в [8] установлено, что ПЭТФ сильнее разрушается под действием света с длиной волны ^=314 нм. Показано, что кванты УФ-света с большой энергией снижают прочность ПЭТФ слабее, чем кванты с меньшей энергией.

Для прояснения этого вопроса нами проведены исследования фотопревращения полистирола в условиях действия монохроматического света с длинами волн ^=254 нм и ^2=365 нм. Источником света служила лампа ДБ-30, 80% энергии излучения которой приходится на эту длину волны, а свет с выделяли от излучения лампы ПРК-7 с помощью комбинации светофильтров УФС-5 и СЗС-23. Путём варьирования интенсивности падающего света были достигнуты условия равной поглощенной энергии (17Дж/м2с) независимо от длины волны УФ-света.

Светостойкость полимера оценивали по зависимости разрывной прочности и молекулярной массы образцов от времени предварительного облучения.

Адрес для корреспонденции: Гафуров Сафархон Джурахонович. 734025, Республика Таджикистан, г.Душанбе, пр.Рудаки, 17, Таджикский национальный университет. E-mail: gafurovs.d@mail.ru

Результаты опытов приведены на рис. 1. Из рисунка видно, что в обоих случаях наблюдается снижение разрывной прочности полимера, однако это снижение под действием света с происходит несколько сильнее. Кроме того, видно, что падение разрывной прочности с ростом времени облучения на первом участке (до 20 час) практически в два раза превышает таковое на втором участке (свыше 20 час). Это связано с большим коэффициентом поглощения полистирола в области волн ниже 290 нм, а также с действием кислорода окружающей среды.

Ор. МПа

Время облучения, час Рис.1. Зависимость разрывной прочности полистирола от времени предварительного УФ-облучения: 1 - Х1=254 нм; 2 - Х2=365 нм.

Степень фотодеструкции макромолекул ПС оценивалась также и на основании зависимости молекулярной массы образцов от времени предварительного УФ-облучения вискозиметрическим методом. Согласно [9], для растворов полистирола в толуоле при 250С коэффициенты а и к в уравнении Марка-Хаувинка были приняты, соответственно, как 0.72 и 1.18.

На рис. 2 приведены зависимости молекулярной массы образцов от времени облучения УФ-светом разной длины волны при комнатной температуре.

ММ - 10 ' *

Рис. 2. Зависимость молекулярной массы образцов полистирола от времени УФ-облучения светом с длинами волн: 1 - Х1=254 нм; 2 - Х2=365 нм.

Из рис. 2 видно, что при одинаковых дозах облучения падение молекулярной массы ПС под действием света ^=254 нм больше, чем под действием А,2=365 нм. Опыты показали, что эффективность действия квантов света с примерно в два раза больше, чем эффективность действия квантов света с Х2. По изменению молекулярной массы были определены числа разрывов в макромолекулах.

Пр-1(Г3м3

Рис. 3. Зависимость числа разорванных связей от времени предварительного облучения полистирола при комнатных условиях: 1 - ^=254 нм; 2 - Х2=365 нм.

На рис. 3 приведена зависимость числа разрывов связей в макромолекуле полистирола от времени предварительного УФ-облучения. Из рисунка видно, что зависимости имеют нелинейный характер, а скорость фоторазрушения связей в полимере под действием квантов света с больше, чем таковая под действием квантов света с Из рисунка также видно, что начальная скорость разрыва макромолекул, которая определяется как тангенс угла наклона зависимости пр(^), зависит от длины волны падающего на образец УФ-света.

На основании полученных результатов были рассчитаны зависимости разрывной прочности образцов полистирола от числа фоторазрывов. На рис. 4 приведена эта зависимость для образцов, облученных светом с ^1=254 нм.

бр, МПа

Рис. 4. Зависимость разрывной прочности полистирола от числа фоторазрывов при предварительном облучении светом Х1=254 нм.

Из рис. 4 видно, что разрывная прочность, независимо от длины волны УФ-света, линейно зависит от числа фоторазрывов пр согласно уравнению

О = Оро(1+вПр),

где ор0 - исходная прочность образцов, в=0.95-10"23 м3.

Известно, при облучении полистирола на воздухе на процесс фотолиза накладывается действие кислорода. Кислород взаимодействует с образующимися радикалами, в результате чего в полимере накапливается значительное количество кислородсодержащих концевых групп различного типа. Накопление этих групп приводит к ускорению процесса фотохимической деструкции образцов, так как эти группы интенсивно поглощают УФ-свет.

Спектроскопические исследования показывают, что в облучённых УФ-светом ^1=254 нм при комнатных условиях образцах полистирола с ростом времени облучения растёт оптическая плотность полосы 1720 см-1 (рис.5), что свидетельствует об образовании и накоплении карбонильных >С=О групп.

Время облучения, час

Рис. 5. Зависимость оптической плотности полосы поглощения 1720 см-1 от времени облучения образцов полистирола при 1 - Х1=254 нм и 2 - Х2=365 нм.

Из рис. 5 видно, что до 20 часов облучения наблюдается практически линейная зависимость оптической плотности, затем эта зависимость отклоняется от линейности, то есть переходит к насыщению.

По характеру изменения разрывной прочности и накоплению хромофорных групп можно заключить, что скорость фотоокисления ПС зависит от длины волны УФ-излучения. Образование ки-слородосодержащих групп можно объяснить следующим образом. Фотоокисление ПС идет по радикальному механизму. Образующиеся промежуточные радикалы принимают участие в дальнейших реакциях, которые сопровождаются разрывом цепей и накоплением кислородосодержащих групп, проявляющихся в ИК-спектрах ПС. Замедление роста оптической плотности полосы 1720 см-1, на

наш взгляд, можно объяснить, в основном, изменением соотношения между числом образующихся и распадающихся >С=О групп.

Поступило 31.01.2018 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бобоев Т.Б., Назруллаев Б.Н., Дадаматов Х.Д. Фотодеструкция капронового волокна и натурального шёлка ультрафиолетовым облучением. - Механика полимеров,1978, №5, с.913-915.

2. Дадаматов Х.Д., Бобоев Т.Б. Влияние монохроматического УФ-излучения на фотодеструкцию полимеров. - В кн.: «Влияние ионизирующего излучения на полимеры». - Душанбе: ТГУ,1979, 70 с.

3. Бобоев Т.Б., Назруллаев Б.Н., Яхъяев Ш. Стабилизация диацетата целлюлозы при фотодеструкции. - В кн.: «Старение и стабилизация полимеров». - Черноголовка, 1976, 49 с.

4. Дадаматов Х.Д., Бобоев Т.Б., Назруллаев Б.Н. Фотомеханическая деструкция капроновых волокон под действием квантов различной энергии. - ДАН Таджикской ССР, 1981, т.24, №7, с.422-425.

5. Stefenson C.V., Voses B.C., Cobum W.C., Wilcox W.S. Degradation of fysicalproperties. - J. of Polym. Sci, 1961, v.55, pp.451-464.

6. Stefenson C.V., Voses B.C., Burks R.E., Coburn W.C., Wilcox W.S. Cross linking and scission. - J. of Poly. Sci, 1961, v.55, pp.465-475.

7. Day M., Wiles D M. - Appl. Polym. Sci., 1972, v.16, №1, рр.191-202.

8. Sults R.R., Leahy S. M. - Appl. Polym. Sci., 1961, v.5, №3, рр.64-69.

9. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. Изд. 3-е. - М.: Химия, 1972, 675 с.

10. Цянь-Жень-Юань. Определение молекулярных весов полимеров. - М.: Иностранная литерату-ра,1962, 234 с.

С.Ч,.Рафуров, Ф.Х.Истамов, Т.Б.Бобоев

ТАЪСИРИ ДАРОЗИХОИ МАВ^И НУРИ УЛТРАБУНАФШ БА КИНЕТИКАИ ФОТОВАЙРОНШАВИИ ПОЛИСТИРОЛ

Донишго^и миллии Тоцикистон

Тахдикд таъсири нурафкании пешакй бо дарозидои мавчи гуногун ^1=254 нм ва ^2=365 нм ба кандашавй устувор будан, массаи молекулавй, адади банддои кандашуда ва чамъшавии гурухдои оксигендори полистирол гузаронида шудааст. Нишон дода шудааст, ки дар вояи якхелаи афканишоти фурубурд баромади квантии фотовайроншавии полистирол бо таъсири нури дарозии мавчаш ^1=254 нм нисбати нури дарозии мавчаш ^2=365 нм ду маротиба зиёд мебошад.

Калима^ои калидй: полистирол, фотовайроншавй, нури ултрабунафш, массаи молекулавй, баромади квантй.

S.J.Gafurov, F.Kh.Istamov, T.B.Boboev THE INFLUENCE OF THE LENGTH OF WAVE OF UV LIGHT ON KINETICS PHOTODESTRUCTION OF THE POLYSTYRENE

Tajik National University The effect of preliminary UV irradiation with light with wavelengths ^=254 nm and A,2=365 nm on the tensile strength, molecular weight, the number of bond discontinuities and the kinetics of accumulation of oxygen-containing terminal groups of polystyrene was studied. It is shown that for a single absorbed dose of radiation, the quantum yield of photodestruction of polystyrene under the action of light with a wavelength ^4=254 nm is twice as high as that of light with ^2=365 nm.

Key words: polystyrene, photodestructiоn, UV light, the molecular weight, quantum yield.