CC BY
100
Электронный журнал Cloud of Science. 2013. № 3
http://cloudofscience.ru
Экспресс-метод исследования упаковочных полимерных пленок
О. А. Ханчич1, В. Б. Ларионов1, С. А. Кузнецова2
1Московский технологический институт «ВТУ» 2Институт химии и химической технологии СО РАН (Красноярск)
Аннотация. Для изучения кинетики образования анизотропных структур в системах на основе полиолефинов применен метод малоуглового рассеяния поляризованного света. С этой целью были сконструированы по-ляризационно-оптические установки и развиты методики количественной оценки параметров анизотропных структур как аморфно-кристаллического, так и жидкокристаллического типов. Использование данного неразрушающего и скоростного метода исследования надмолекулярной структуры полимеров позволяет получать важную технологическую информацию по процессам формования полимерных волокон и пленок без дорогостоящей инструментальной базы.
Ключевые слова: полиолефины, надмолекулярная структура, малоугловое рассеяние поляризованного света, дифрактограммы, анизотропные структуры.
В настоящее время потребность в полимерных упаковочных материалах растет быстрыми темпами. Это обусловливает необходимость изучения их структуры, свойств и специфических особенностей. Полимерные пленки позволяют защищать продукцию от внешних воздействий благодаря ряду ценных потребительских свойств упаковочного материала — высокой прочности, эластичности, химической стойкости, возможности сварки и склеивания, низкой влаго- и газопроницаемости. В этой связи особенно актуальным представляется изучение закономерностей проницаемости, диффузии и растворимости низкомолекулярных веществ в зависимости от степени кристалличности, ориентации и надмолекулярной структуры полимеров. Особенно важно обеспечить защиту продукции от нежелательных воздействий внешней среды и обеспечить длительность ее хранения. Поэтому для полимерных материалов, используемых в качестве упаковки, наиболее важными потребительскими свойствами являются паро- и газопроницаемость и высокие прочности. При определении этих показателей необходим комплекс дорогостоящих приборов и квалифицированное обслуживание. Для идентификации полимерных материалов также необходимы инструментальные методы исследования. Особенно это касается полиэтилена (ПЭ) и полипропилена (IIII) — важнейших с позиции упаковки полимеров, — которые с помощью органолептических методов часто вообще невозможно распознать.
О. А. Ханчич
B. Б. Ларионов
C. А. Кузнецова
Экспресс-метод исследования упаковочных полимерных пленок
При кристаллизации этих гибкоцепных полиолефинов основным морфологическим типом надмолекулярных структур, которые в них образуются, являются сферолиты [1]. Изучению таких структур при кристаллизации полимеров из расплавов посвящено много работ, в которых показано, что размеры и строение сфе-ролитов можно направленно регулировать, изменяя предысторию образца и условия кристаллизации [2]. Однако влияние условий кристаллизации и физической модификации полиолефинов на структуру и свойства изделий из них мало изучено. С этой целью в качестве модельного объекта был выбран 1111 с различным содержанием полимерной добавки — изопренстирольного термоэластопласта, представляющего собой трехблочный сополимер стирола [2].
В настоящей статье представлен простой физический метод, позволяющий не только протестировать полимерную пленку, но и предсказать ее основные потребительские свойства. Метод основан на явлении прохождения поляризованного света через полимерную пленку и рассеянии на оптически анизотропных надмолекулярных структурах, размеры которых сопоставимы с длиной волны видимого света. Метод рассеяния под малыми углами применяют при выполнении условий Релея-Ганса:
4 пЯ (п' - 1)/Л«1,
где Я — радиус частицы; П — показатель преломления частицы относительно среды. В полимерной системе П близко к единице и приближение Релея-Ганса охватывает широкий диапазон частиц (неоднородностей) по размерам (как показывает опыт, от 0,1 до 20 мкм). Оптическая схема регистрации картин рассеяния поляризованного света приведена на рис. 1.
экран
Рисунок 1. Схема регистрации картин рассеяния поляризованного света
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
С1оий о/Баепсе. 2013. № 3
Распределение интенсивности света, прошедшего через образец и анализатор, имеет сложный характер и регистрируется в виде экспериментальных картин рассеяния (дифрактограмм) (рис. 2).
Рисунок 2. Различные типы Иу дифрактограмм малоуглового рассеяния: а) сферолитного; б) холестерического;в)стержнеподобного +— типа; г)стержнеподобного х-типа.
Изучение надмолекулярной структуры проводили, в основном, с помощью метода малоуглового рассеяния поляризованного света (МРПС), который является наиболее чувствительным для оптически анизотропных структур микронных размеров. Дополнительным преимуществом данного метода является возможность количественного определения структурных изменений в быстропротекающих процессах формования в условиях невмешательства в исследуемую систему. Для этой цели была создана установка, позволяющая в каждой точке диаграммы растяжения одновременно фиксировать Ну - картины малоуглового рассеяния света (далее ди-
фрактограммы). Использование синхронизирующего устройства позволяло установить, в какой точке диаграммы растяжения получена каждая картина светорассеяния [3]. Анализируя картину рассеяния можно сделать заключение о надмолекулярной структуре полимеров, которая определяется как объединение макромолекул
О. А. Ханчич
B. Б. Ларионов
C. А. Кузнецова
Экспресс-метод исследования упаковочных полимерных пленок
в более крупные структурные элементы. Их наличие во многом обусловливает физико-механические и другие важные характеристики полимерных пленок.
Помимо вышесказанного, отсутствие «прямой» информации о быстро протекающих процессах структурообразования и кристаллизации объясняет наличие разных представлений о механизме формирования надмолекулярной структуры. Это обстоятельство связано с тем, что превращение раствора в студень при коагуляции в осадительной ванне протекает зачастую в течение долей секунды. В то же время широко используемая для выяснения морфологических особенностей студней техника электронной микроскопии дает информацию о структуре уже сформировавшегося студня. Удобным методом кинетических исследований является метод МРПС. Применение этого метода позволило изучать формирование и изменение структур микронных размеров, образующихся при фазовом распаде раствора полимера, непосредственно в процессе осаждения [4]. Кроме того, данный метод МРПС непосредственно «настроен» на технологический интерес, поскольку надмолекулярные перестройки при формовании волокон и пленок, которые определяют их механические свойства, происходят именно на «оптическом» уровне. При использовании данного неразрушающего, скоростного метода исследования и контроля структуры полимеров нет необходимости в дорогостоящей инструментальной базе. Достаточно простейшего газового лазера и определенных навыков при интерпретации полученных результатов.
Как было показано ранее, для жидкокристаллических сред метод МРПС обладает особым преимуществом, а именно, большой информативностью, так как одним из основных свойств жидких кристаллов является их способность рассеивать и деполяризовать свет [5].
Литература
[1] Ханчич О. А., Кузнецова С. А. Наночастицы и надмолекулярная структура полимеров // Cloud of Science. 2013. № 1. С. 30-32.
[2] Ханчич О. А., Кербер М. Л. Влияние модифицирующих добавок на сферолит-ную структуру неориентированных и ориентированных пленок полиэтилена // Пластические массы. 2010. № 12. С. 10-12.
[3] Ханчич О. А. Поляризационно-оптические методы исследования кинетики структурообразования в полимерных системах // Химические волокна. 1986. № 4. С. 6-10.
[4] Ханчич О. А. Анизотропные структуры в полимерах с различной жесткостью макромолекул : дис... докт. хим. наук. — М.,1997.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
Cloud of Science. 2013. № 3
[5] Khanchich O. A., Loshadkin D. V. Study of Phase Transitions in Liquid Crystal Systems of Poly sacharides and their Derivatives // J. Мо1ес. Cryst. and Liquid Cryst. 2001. Vol. 367. P. 597-605.
Авторы:
Ханчич О. А., доктор химических наук, профессор, профессор кафедры естественно-научных дисциплин Московского технологического института «ВТУ» Ларионов В. Б., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой естественно-научных дисциплин Московского технологического института «ВТУ» Кузнецова С. А., доктор химических наук, профессор, Институт химии и химической технологии СО РАН (Красноярск)
