Влияние фуллерена с 60 на светостойкость полиэтилена низкой плотности и атактического полиметилметакрилата

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №1_

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 539(2+3):541.123:541.64:546.26-162

Ш.Т.Туйчиев, [Б.М.Гинзбург, Д.Р.Рашидов, С.Х.Табаров, Ф.Х.Истамов ВЛИЯНИЕ ФУЛЛЕРЕНА С60 НА СВЕТОСТОЙКОСТЬ ПОЛИЭТИЛЕНА НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ И АТАКТИЧЕСКОГО ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА

Таджикский национальный университет

Проведено сравнительное исследование влияния УФ-излучения на структуру, механические свойства и светостойкость двух полимерных материалов, содержащих добавку фуллерена С60, - на основе полиэтилена низкой плотности и на основе атактического полиметилметакрилата. Показано, что введение фуллереновых добавок в полимеры и их облучение сопровождаются изменениями их механических свойств и светостойкости.

Ключевые слова: фуллерен - структура - механика - теплофизика - полимер.

Для изменения эксплуатационных свойств (механических, тепловых и др.) полимерных материалов широко применяются различного рода наполнители (красители, сажи, кварцевый песок, базальты и др.) [1-4]. В этом аспекте весьма актуально изучение влияния малых добавок многочисленных наноуглеродных материалов (НУМ), синтезируемых в последнее время и используемых для модификации различных материалов, в том числе и полимерных [5]. В частности, представляет интерес изучение стойкости материалов к действию УФ-излучения. Сведения о влиянии УФ-излучения на структуру и физические свойства полимеров и полимерных нанокомпозитов, содержащих НУМ, в литературе практически отсуствуют. Можно найти лишь отдельные ссылки на патенты без доступа к их существенному содержанию. Особый интерес подобные исследования должны представлять для специалистов в области авиа- и космической техники, а также в области строительства и эксплуатации долговременных конструкций, работающих в условиях повышенной инсоляции.

Выбор полиэтилена (ПЭ) и полиметилметакрилата (ПММА) в качестве объектов исследования диктовался их резко различающейся надмолекулярной структурой. Для атактического ПММА характерно стеклообразное «бесструктурное» состояние, тогда как для ПЭ в комнатных условиях характерно аморфно-кристаллическое состояние с развитой иерархией элементов надмолекулярной структуры на различных размерных уровнях.

Отметим также, что по отношению к у-излучению ПЭ считался сшивающимся полимером, то есть полимером, прочность которого возрастала при малых дозах облучения, тогда как ПММА относился к классу деструктирующих полимеров, прочность которых резко уменьшалась под действием у-излучения [6,7]. Представлял интерес выяснить, сохраняется ли отношение полимеров ПЭ и ПММА к излучению при смене вида излучения.

Адрес для корреспонденции: Туйчиев Шарофиддин. 734025, Республика Таджикистан, г.Душанбе, пр.Рудаки, 17, Таджикский национальный университет. E-mail: tuichiev@mail.ru

В качестве полимерных объектов для проведения исследований использовали полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), соответствующий ГОСТ 16337-77, с молекулярной массой М= 6-104 , и атактический полиметилметакрилат (ПММА), соответствующий ГОСТ 16667-74, с М= 8-104 и М= 12-106.

В качестве наноуглеродного наполнителя использовали фуллерен С60 с химической чистотой 99.7%. Нанокомпозитные плёнки получали из смесей растворов полимеров и Сб0 в одном и том же растворителе. В качестве растворителей, как и в предыдущих работах [8,9], использовали изомеры ксилола, бромбензол (БгБе) и орто-дихлорбензол, - все марки "хч", после 2-кратной перегонки.

Однако акцент исследований был сделан на образцах, полученных из растворов в БгБе. При этом мы исходили из следующих соображений. Во-первых, эти образцы уникальны по своим механическим свойствам: наряду с высоким пределом текучести при одноосном растяжении, они обладали высокой упругой деформируемостью (более 100% в области зуба текучести). Во-вторых, в этих образцах могут образовываться кристаллосольваты типа С60 -2БгБе [8-10].

Меняя весовое соотношение растворов фуллерена и полимеров, меняли концентрацию С60 в получаемых плёнках от 0 и 0.01 до 10%. (Здесь и далее доля фуллерена указывается в массовых процентах).

Стойкость образцов к УФ-излучению, или светостойкость, оценивали двумя способами: (1) по изменению разрывной прочности облучённых образцов относительно разрывной прочности необ-лучённых образцов оэ в зависимости от времени облучения; (2) по изменению предела текучести облучённых образцов относительно предела текучести необлученных образцов в зависимости от времени облучения.

Из полимерных пленок вырезали образцы в форме двойной лопатки с рабочей длиной 22 мм и шириной 4-5 мм. Механические испытания проводили по ГОСТ 1262-68 на разрывной машине РМ-1. Скорость движения нижнего зажима - 12 мм-мин-1 (относительная скорость деформации - 0.0125 с-1).

Оптическими исследованиями было установлено, что основной морфологической формой исследованных нами исходных и фуллеренсодержащих образцов ПЭНП является сферолитная со средним диаметром сферолитов от 4-5 до 15 цш [8].

В предыдущих исследованиях [8,9] рентгенографическими методами показано, что молекулы С60 не взаимодействуют с кристаллитами матрицы таких термопластов, как ПЭ или ПП, и не входят в их кристаллическую решетку. Молекулы С60 диспергированы до молекулярного уровня; при этом только малая часть (~8-10%) внедренного в полимер фуллерена С60 проникает в межкристаллитные аморфные участки, а подавляющая его часть располагается в межламеллярном пространстве. По-видимому, именно эта доля частиц наполнителя вызывает ухудшение механических свойств образцов [8,9]. Что касается образцов композитов ПММА+С60 , только при С=10% возникают агрегаты, содержащие до 100 молекул С60 [11].

В случае чистого ПЭНП (рис. 1а, кривая 1) в результате предварительного облучения светостойкость падает и с ростом времени облучения асимптотически стремится к некоторой постоянной величине, близкой к ~70% от исходной светостойкости. Такой ход светостойкости характерен для сшивающихся полимеров.

Материаловедение

Ш.Т.Туйчиев, Б.М.Гинзбург и др.

Рис.1. Зависимость светостойкости с4/с ПЭНП+С60 (а), ПММА+С60 (Ь) 1-С=0; 2-1; 3-3; 4-5; 5-10 % С60,

от времени предварительного УФ-облучения.

Введение уже 1% С60 (рис. 1а, кривая 2) не только сохраняет светостойкость, но и способствует её увеличению после предварительного облучения. Оптимальное время облучения составляет 1015 Ь, увеличение светостойкости достигает при этом 20%.

Таким образом, в случае УФ-излучения ПЭНП проявляет свойства промежуточного характера между сшивающимися и деструктирующими полимерами.

В случае чистого ПММА и малых добавок к нему (до 1%) С60 облучение приводит только к резкому и интенсивному (до 10% исходной величины) уменьшению светостойкости. Зато более весомые добавки 3-5% приводят и к более весомому увеличению светостойкости (до 50%.).

-11 ; Как показано в [12], в композите ПММА+С60 за одно

N•10 , м

и то же время происходит в ~4 раза меньше разрывов макромолекул при облучении, чем в исходном образце без С60 (рис.2). Таким образом, результаты исследования показывают, что фуллерен С60 может играть роль стабилизатора в условиях УФ-облучения полимерных композитов. Сравнение данных рис.1а,Ь свидетельствует о том, что внедрение С60 о 2 4 6 и, и более эффективно в деструктирующих полимерах (ПММА).

Главный итог проделанной работы, на наш взгляд,

Рис. 2 .Зависимость числа разрывов

МЕкромо-ек\ -ГММЛот времени состоит в том, что атактический ПММА (оргстекло) из мате-

риала, совершенно нестойкого к УФ-излучению, превраща-

трациях фуллерена: 1-С= 0: 2 -Ю-3;

; -Ю-- с'-.'с - [1"] ется в материал, увеличивающий свою светостойкость в 1.5

раза, если в него введено 3-5% фуллерена и он подвергнут предварительному облучению в течение 15-20 ч.

Работа выполнена в рамках плана научно-исследовательских работ Таджикского национального университета.

Поступило 01.12.2014 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фойгт И. Стабилизация синтетических полимеров против действия света и тепла. -Л.: Химия, 1978, 394 с.

2. Эммануэль Н.М., Бучаченко А.Л. Физическая химия старения полимеров. - М.: Наука, 1982, 381 с.

3. Заиков Г.Е. Деструкция и стабилизация полимеров. - М.: МИТХТ, 1993, 248 с.

4. Рэнби Б., Рабек Я. Фотодеструкция, фотоокисление, фотостабилизация полимеров. - М.: Мир, 1978, 675 с.

5. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. - М.: ФизМаткнига, Логос, 2006, 375 с.

6. Чарльзби А. Ядерные излучения и полимеры. - М.: ИИЛ, 1962, 522 с.

7. Бовей Ф. Действие ионизирующих излучений на природные и синтетические полимеры. - М.: ИИЛ, 1959, 295 с.

8. Гинзбург Б.М., Туйчиев Ш., Рашидов Д. и др. - Высокомолек. соед., А, 2011, т.53, № 6, с.883-896.

9. Гинзбург Б.М., Туйчиев Ш., Рашидов Д. и др. - Высокомолек. соед., А, 2012, т.54, №8, с.1283-1296.

10. КогоЬоу М.У., Мкакуап АХ., Лугашепко КУ. е! а1. - I. РЬу8. СЬеш. Б, 1998, у.102, рр. 3712 -3717.

11. Гинзбург Б.М., Меленевская Е.Ю., Новоселова А.В. и др. - Высокомолек. соед. А, 2004, т.46, № 2, с.295-303.

12. Туйчиев Ш.Т., Гинзбург Б.М., Осава Е. и др. - Изв. АН РТ. Отд.физ.-мат., хим., геол. и техн.н., 2007, №3(129), с. 59-64.

Ш.Т.Туйчиев, |Б.М.Гинзбург|, Д.Р.Рашидов, С.Х.Табаров, Ф.Х.Истамов ТАЪСИРИ ФУЛЛЕРЕНИ Сбо БА РУШНОИТОБОВАРИИ ПОЛИЭТИЛЕНИ ЗИЧИАШ ПАСТ ВА ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТИ АТАКТИКЙ

Донишго^и миллии Тоцикистон

Дар маколаи мазкур таъсири УФ-афканиш ба сохтор, хосиятх,ои механикй ва рушноитобоварии ду маводх,ои полимерии фуллерендошта дар асоси полиэтилени зичиаш паст ва полиметилметакрилати атактикй тадкик шудаанд. Нишон дода шудааст, ки иловаи фуллеренх,о ба полимерно ва нурборонкунии онх,о бо тагйири хосиятх,ои механикй ва рушноитобоварии онх,о оварда мерасонад.

Калима^ои калиди: фуллерен - сохтор - механика - гармофизика - полимер.

Sh.T.Tuichiev, [B^^^bur^, D.R.Rashidov, S.Kh.Tabarov, F.Kh.Istamov INFLUENCE OF C60 ON THE PHOTOSTABILITY OF LOW DENSITY POLYETHYLENE AND ATACTIC POLYMETHYLMETHACRYLATE

Tajik National University A comparative study of the effect of UV radiation on the structure, mechanical properties and light fastness of two polymeric materials containing of additive C60 based of low density polyethylene and atactic polymethylmethacrylate. It shown that the introduction of additives into polymers fullerene and irradiation are accompanied by changes in their mechanical properties and light fastness. Key words: fullerene - structure - mechanics - thermal physics - polymer.