Transcript Degradacja termiczna PLA w procesie przetwórstwa na

MODYFIKOWANE WŁÓKNINY POLIPROPYLENOWE O ZWIĘKSZONEJ
PODATNOŚCI NA FOTODEGRADACJĘ WYTWARZANE METODĄ
SPUN-BONDED
Konrad SULAK*, Tomasz MIK*, Małgorzata LICHOCIK *, Beata WITKOWSKA**, Katarzyna WIERUS**, Izabela KRUCIŃSKA#
*Instytut
Biopolimerów i Włókien Chemicznych, ul. M. Skłodowskiej-Curie 19/27, 90-570 Łódź
**Instytut
Włókiennictwa, ul. Gdańska 118, 92-103 Łódź
#Politechnika Łódzka, Polska Platforma Przemysłu Tekstylnego, Wydział Technologii Materiałowych i Wzornictwa Tekstyliów, Katedra Materiałoznawstwa,
Towaroznawstwa i Metrologii Włókienniczej ,ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź
WPROWADZENIE
WYNIKI
Polipropylen (PP) należy do najbardziej popularnych tworzyw sztucznych. Bardzo szeroki przedział zastosowań polipropylenu
Tabela 1. Zależność siły zrywającej od stężenia aktywatora fotodegradacji i masy powierzchniowej modyfikowanych włóknin PP
zestawiono w tabeli 1.
narzuca konieczność jego modyfikacji tak aby wytworzone z niego wyroby były z jednej strony odporne mechanicznie oraz na
warunki środowiskowe (np. rury do transportu cieczy, folia ogrodnicza, osłony kabli energetycznych) z drugiej powinny ulegać w
miarę szybkiemu rozkładowi po zużyciu (np. materiały medyczne i higieniczne, opakowania jednorazowe).
Wrażliwość włókien polipropylenowych na naturalne promieniowanie UV, będąca wadą w wypadku tradycyjnych zastosowań
włókienniczych, może być zaletą w produktach, które po spełnieniu swojej funkcji powinny ulec rozkładowi możliwie bez
dodatkowych nakładów na utylizację. Konieczne jest jednak dodanie do polimeru związku zawierającego grupy chromoforowe
Seria/energia
promieniowania,
kJ/m2
A/50
B/50
C/50
D/50
A/100
B/100
C/100
D/100
Przed
naświetlaniem
15,3
18,3
20,6
22,7
30,5
27,2
30,2
33,1
III / 15 253
11,9
9,8
4,4
1,1
26,2
21,5
4,2
4,3
6,4
2,4
inicjujące degradację fotooksydacyjną polimeru. Dodatek do PP takiego związku umożliwi wyprzędzenie włókien, trwałych w
V / 32 515
warunkach magazynowania, które będą jednak ulegały rozkładowi w zaprogramowanym okresie użytkowania.
Fotodegradacja zachodząca pod wpływem promieni UV polega na wzbudzeniu reakcji rodnikowych prowadzących do skracania
łańcucha polimerowego a w konsekwencji do zmian właściwości fizycznych i mechanicznych produktów wykonanych z
polipropylenu. Warunki mechaniczne i środowiskowe takie jak natężenie i długość fali światła, naprężenie, temperatura, czas
ekspozycji mają istotny wpływ na mechanizm i przebieg procesu fotodegradacji [1-5].
Średnia wartość siły zrywającej [N], ekspozycja na świtało lampy ksenonowej
Seria/energia
promieniowania,
kJ/m2
degradacja
degradacja
Średnia wartość siły zrywającej [N], ekspozycja na świtało słoneczne
A/50
B/50
C/50
D/50
A/100
B/100
C/100
D/100
Przed
naświetlaniem
15,3
18,3
20,6
22,7
30,5
27,2
30,2
33,1
III / 15 253
1,9
0,6
0,9
degradacja
15,5
9,3
0,9
0,2
2,6
1,3
V / 32 515
degradacja
degradacja
CEL PRACY
Celem pracy była ocena właściwości włóknin wytworzonych techniką spun-bonded z polipropylenu modyfikowanego
aktywatorem fotodegradacji.
Rysunek 1. Zestawienie wyników badań analizy mikroskopowej dla włóknin A/100 dla wybranych serii badania
A/100
przed naświetlaniem
MATERIAŁY I METODYKA BADAWCZA
A/100
po naświetlaniu lampą
ksenonową
III series 15 253 kJ/m2
A/100
po naświetlaniu światłem
słonecznym
III series 15 253 kJ/m2
Materiały:
Do formowania włóknin zastosowano polipropylen wyprodukowany przez firmę Basell Orlen Polyolefins Sp. z o.o. o nazwie
handlowej Moplen HP462.
Jako aktywator fotodegradacji stosowano stearynian żelaza w postaci koncentratów w polipropylenie o stężeniach
odpowiednio 1; 2,5; 5 i 15 %. Koncentraty zostały wytworzone przez Instytut Włókiennictwa.
Formowanie włóknin:
Proces formowania włóknin prowadzono na stanowisku laboratoryjnym zaprojektowanym
i zbudowanym przez Centralny Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Włókienniczych "PolmatexCenaro" w ramach PZ 3.1. Włókniny formowano w następujących warunkach: temperatura stopu
polimeru
230-234
oC,
wydajność
wytłaczania
0,10-0,21
g/min/otw,
filiera
467
otworowa
(0,6mm/2,0mm), ciśnienie powietrza w komorach dolotowych 1550 Pa, szybkość odbioru włókniny
2,4-5,0 m/min. Wytworzono osiem wariantów włóknin różniących się masą powierzchniową, tj. 50g/m2
i 100g/m2 oraz stężeniem procentowym aktywatora fotodegadacji w masie polimeru. Warianty
stężenia: A - 0,02%; B - 0,05%; C - 0,1%; D - 0,3%. W dalszej części przyjęto następujące oznaczenia
PODSUMOWANIE
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że proces fotodegradacji modyfikowanych włóknin PP jest silnie
uzależniony od stężenia aktywatora w masie włókna. Przyjęte warianty stężenia stearynianu żelaza C - 0,1% i D - 0,3% okazały się
A/50, B/50, C/50, D/50 oraz A/100, B/100, C/100, D/100.
zbyt wysokie. Po trzeciej serii (6 tygodni) naświetlania światłem słonecznym w przypadku włóknin C/50 i D/50 wystąpił blisko 100%
Ekspozycja próbek włóknin:
spadek siły maksymalnej i rozpad włókniny. Po piątej serii naświetlania nastąpił rozpad wszystkich włóknin o masie
Celem ekspozycji próbek modyfikowanych włóknin na światło słoneczne w Instytucie Włókiennictwa zaprojektowano i
powierzchniowej 50 g/m2 uniemożliwiający wykonanie badań wytrzymałości.
skonstruowano stanowisko badawcze, które zamontowane zostało na południowej ścianie budynku Instytutu. Próbki włóknin
Ponadto stwierdzono, że próbki włóknin PP eksponowanych na zewnątrz ulegają intensywniejszej fotodegradacji niż badane w
mocowane były na stalowej ramie, natomiast do stelaża stanowiska przymocowano dwa czujniki natężenia promieniowania: CMP 3
aparacie Xenotest. Potwierdzają to zarówno wyniki badań siły maksymalnej przy zerwaniu jak i wyniki badań mikroskopowych.
i CUV 4 f-my Kipp & Zonen B.V. Czujniki umożliwiają pomiar natężenia światła w następujących zakresach widmowych:
Wspomniane powyżej warianty włóknin A/100 i B/100 po piątej serii naświetlania światłem lampy ksenonowej zachowały
CMP 3 w zakresie ultrafioletu i widzialnym 310 ÷ 2800 nm,
odpowiednio 20% i 4% wytrzymałości wyjściowej włóknin. Różnice takie zaobserwowano pomimo, że natężenie UV lampy
CUV 4 w zakresie ultrafioletu 305 ÷ 385 nm.
xenonowej w każdej serii naświetlania odpowiadało natężeniu UV światła słonecznego. Świadczy to o tym, że warunki badań w
Czujniki współpracują z komputerem wyposażonym w oprogramowanie LOGBOX, które umożliwia rejestrację (co 30 s) i
xenoteście nie są w stanie w pełni zasymulować warunków zewnętrznych. Warto jednak podkreślić, że siła maksymalna przy
archiwizację energii promieniowania UV i widzialnego. Naświetlanie modyfikowanych próbek włóknin zaplanowano na okres pół
zerwaniu i analiza mikroskopowa są tylko narzędziem w ocenie postępu procesu fotodegradacji modyfikowanych włóknin PP i
roku rozpoczynając od 18 kwietnia 2011. Przyjęto dwutygodniowy interwał pobierania próbek ze stanowiska. Ogółem wykonano 8
zasadności doboru stężenia aktywatora w masie włókna. W ramach projektu Biogratex prowadzone są również badania w
serii naświetlania. Całkę dobową P wyliczano ze wzoru:
rzeczywistych warunkach polowych, które pozwolą w pełni ocenić przydatność nowego asortymentu włóknin PP.
P=
P – energia promieniowania [kJ/m2],
W – natężenie promieniowania [W/m2],
n – liczba pomiarów w ciągu doby.
24× 3,6× ΣW
n
Literatura:
Równolegle prowadzono badania naświetlania próbek badanych wariantów włóknin w świetle lampy ksenonowej w aparacie
Xenotest Alpha HE firmy Atlas w natężeniu UV odpowiadającym serii naświetlania światłem słonecznym. Do symulacji światła
dziennego na zewnątrz pomieszczeń zastosowano filtry Xenochrome 300 oraz cylinder zewnętrzny ze szkła Suprax. Czujniki
mierzyły i regulowały temperaturę wewnątrz komory (CHT, ang. chamber temperature) oraz na powierzchni próbki (BST, ang. black-
[1] McKellar JF, Allen NS. Photochemistry of man-made polymers. Essex, England: Applied Science Publishers Ltd.; 1979. p. 31.
[2] Rabek JF. Photostablization of polymers, principle and applications. New York, USA: Elsevier Science Publishers Ltd.; 1990.
[3] Allen NS, Edge M. Fundamental of polymer degradation and stabilisation. New York: Elsevier Applied Science Publishers; 1992.
[4] Yang CQ, Martin LK. Photo- and thermal-oxidation of the nonwoven polypropylene fabric studied by FT-IR photoacoustic
spectroscopy. J Appl Polym Sci 1994;51:389e97.
[5] Zhengfeng Z, Xingzhou H, Zubo L. Wavelength sensitivity of photooxidation of polypropylene. Polym. Degrad.Stab 1996;51: 93-7
standard thermometer). Dla wszystkich badanych wariantów włóknin wykonano badania siły masymalnej przy zerwaniu przed
naświetlaniem oraz dokonano analizy topografii włóknin. Parametry te przyjęto jako wyjściowe i w stosunku do nich odnoszono
wyniki uzyskiwane w kolejnych seriach naświetlania zarówno światłem słonecznym jak i lampy ksenonowej.
Badania metrologiczne:
Właściwości fizyko-mechaniczne włóknin badano stosując zrywarkę Instron 5544, zgodnie z odpowiednimi normami polskimi
dla włóknin: masa powierzchniowa
PN-EN 29073-1:1994, siła zrywająca PN EN ISO 5079:1999
Podziękowania
Praca wykonana w ramach projektu kluczowego, numer POIG.01.03.01-00-007/08 wpófinansowanego z Europejskiego Funduszu
Rozwoju Regionalnego.