CC BY
92
А. А. Муслимова, А. П. Виранева, Т. А. Йовчева,
М. Ф. Галиханов
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРЕТНЫХ СВОЙСТВ КОРОНОЭЛЕКТРЕТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИЛАКТИДА
Ключевые слова: короноэлектрет, полилактид, потенциал поверхности, релаксация заряда.
Исследованы короноэлектреты на основе полилактида, полученные при различных параметрах поляризации. Установлено, что наилучшими электретными свойствами обладают пленки полилактида, поляризованные в отрицательном коронном разряде с их предварительным нагревом до 90 С. Приведены объяснения наблюдаемых закономерностей.
Keywords: corona electrets, polylactic acid, surface potential, charge relaxation.
Polylactic acid corona electrets charged at different conditions has been studied. It has been found that polylactic acid films initially heated up to 90 С and then charged in negative corona discharge have shown the best electret properties. Explanation of the observed behavior has been offered.
Введение
Использованная полимерная упаковка, составляющая большую часть бытовых отходов, практически не подвергается разложению, что становится глобальной экологической проблемой. Оптимальным решением данной проблемы считается создание и применение биоразлагаемых полимеров и композитов. Одним из таких перспективных материалов считается полилактид (ПЛА), который разлагается в компосте за один месяц [1].
Еще одной тенденцией развития упаковочной промышленности являются так называемые активные упаковки, некоторые из которых способны продлевать срок годности пищевых продуктов. Подобные упаковки могут быть изготовлены на основе полимерных электретов [2]. Электреты - это диэлектрики, способные находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию [3, 4].
Огромный интерес с научной точки зрения представляет изучение возможности получения электретных материалов на основе биоразлагаемых полимеров, что позволит решать сразу комплекс задач: продление срока годности продуктов питания и последующую экологически безопасную утилизацию полимерных отходов [5].
В этой связи целью работы было получение пленочных материалов на основе полилактида и изучение их электретных свойств.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования был выбран L-полилактид (ПЛА) (Direct Corporation Lot #: 902-57-1). Приготовление пленок толщиной 10 мкм осуществляли растворным методом с применением хлороформа. Электретирование
полимерных пленок осуществляли при помощи точечно-плоской трехэдектродной установки коронного разряда с варьированием знака короны. Расстояние между пленкой и электродом составляло 20 мм, напряжение поляризации - 5 кВ, время поляризации - 60 сек. Перед электретированием
часть пленок нагревалась до 90 °С и охлаждалась в короне в течение 30 минут.
Электретный потенциал поверхности заряженных образцов V,, измерялся методом вибрирующего электрода с компенсатором,
расчетная погрешность по которому не более 5%. Измерение термостимулированной релаксации потенциала поверхности (ТСРП) электретов
проводилось методом вибрирующего электрода со скоростью 1,65 град/мин.
Результаты и их обсуждение
Кинетика изменения заряда
короноэлектретов на основе полилактида,
полученных при различных параметрах поляризации, при хранении выглядит следующим образом (рис. 1). Величина электретных
характеристик полимеров зависит от количества инжектированных носителей зарядов, проникающих внутрь материала во время поляризации в коронном разряде и закрепляющихся на энергетических ловушках различной природы. В начальный период времени кривая спада потенциала поверхности имеет крутой отрезок, обусловленный
высвобождением инжектированного заряда из мелких энергетических ловушек. Затем наступает фаза стабилизации заряда, когда значения Уэ короноэлектретов при хранении меняются незначительно. Величина заряда в данном случае обусловлена количеством инжектированных
носителей зарядов, попавших в глубокие объемные ловушки.
Видно (рис. 1), что в процессе хранения электретов самые стабильные значения потенциала поверхности наблюдаются у отрицательно
заряженных при 90°С пленок полилактида. При остальных параметрах электретирования
наблюдается существенная релаксация потенциала поверхности уже спустя 5 часов после поляризации.
Различие в электретных свойствах пленок полилактида, заряженных в отрицательной и положительной короне связано с различием в природе инжектированных носителей заряда, образующихся при ионизации воздуха - плазмы.
Указывается [4], что в случае электретирования в положительной короне преобладают ионы типа (И20)пН+, и число п увеличивается с ростом относительной влажности. В случае низкой относительной влажности доминируют (И20)пМ0+ и (И20)п(М02)+ группы. В случае электретирования в отрицательной короне, превалируют ионы СО3", при 50% относительной влажности десятую часть всех ионов составляют ионы типа (И20)пС03-.
У,В
э
400
Рис. 1 - Зависимость потенциала поверхности пленок полилактида от времени хранения: 1 -отрицательно заряженная при 25 °С, 2 -
отрицательно заряженная при 90 °С, 3 -
положительно заряженная при 25 °С, 4 -
положительно заряженная при 90 °С
Большие значения потенциала поверхности полилактидных короноэлектретов, отрицательно заряженных при 90°С по сравнению с образцами, полученными при комнатной температуре, вполне логичны. Известно [3, 6], что улучшить
стабильность электрета можно путем нагрева его до начала электризации. Это обусловлено более
глубоким проникновением носителей зарядов в объем полимеров за счет большей молекулярной подвижности их цепей, что увеличивает электропроводность.
На основе полученных экспериментальных результатов можно также сделать предположение, что нагрев создает в ПЛА глубокие объемные ловушки для отрицательно заряженных ионов и таким путем улучшает стабильность отрицательно заряженных короноэлектретов на основе полилактида.
Большую информацию о стабильности заряда короноэлектретов дает метод термостимулированной релаксации поверхностного потенциала. Он заключается в измерении потенциала поверхности электрета в процессе линейного нагрева сразу после поляризации. На рисунке 2 приведены кривые ТСРП для образцов, положительно и отрицательно электретированных при комнатной температуре. Видно, что уже при нагревании выше 25°С происходит резкий спад потенциала поверхности. Полная релаксация заряда наступает при 50°С.
Рис. 2 - Зависимость потенциала поверхности отрицательно (1) и положительно (2) заряженных электретных пленок полилактида от
температуры при равномерном нагреве со скоростью 1,65°С/мин
Практически полная идентичность кривых спада Уэ для положительно и отрицательно заряженных полилактидных пленок свидетельствует об одинаковой природе ловушек инжектированных носителей заряда. Близость температуры полной релаксации заряда в полилактиде к его температуре стеклования (50 - 55 °С) говорит о том, что в качестве ловушек носителей зарядов служат в основном дипольные группировки его
макромолекул. При достижении этой температуры преодолеваются затруднения во вращении дипольных групп, что ведет к исчезновению дипольно-групповой либо дипольно-сегментальной поляризации.
В работах [7, 8] показано, что электретный эффект в короноэлектретах из полярных полимеров обусловлен совместным проявлением внешней (инжектированный заряд) и дипольно-групповой видами поляризации. Следовательно, при достижении температуры стеклования полилактида, разрушение сформировавшейся в нем системы упорядоченных диполей ведет к высвобождению инжектированного заряда, т. е. к релаксации электретного состояния (рис. 2).
Заключение
Таким образом, самые стабильные значения потенциала поверхности наблюдаются у отрицательно заряженных при 90°С пленок полилактида. При нагревании до 50°С происходит полная релаксация заряда полилактидных короноэлектретов. В качестве ловушек носителей зарядов служат в основном дипольные группировки макромолекул полилактида.
Литература
1. Фомин В.А. Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования / Фомин В.А., Гузеев В.В. // Пласт. массы. - 2001. - № 2. - С. 42-46.
2. Галиханов М.Ф. Влияние активного упаковочного материала на качество молока. / М.Ф. Галиханов, А.Н.
Борисова, А.Ю. Крыницкая, Р.Я. Дебердеев // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2005. - № 2-3. - С. 71-73.
3. Сесслер Г. Электреты / Под ред. Г. Сесслера. - М.: Мир, 1983. - 487 с.
4. Yovcheva T. Corona charging of synthetic polymer films. -New York: Nova Science Publishers Inc, 2010. - 60 с.
5. Галиханов М.Ф. Изучение короноэлектретов на основе
композиций полистирола с крахмалом. / М.Ф.
Галиханов, А.П. Осипова, А.К. Миннахметова, Р.Я. Дебердеев // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2007. -№ 6. - С. 52-57.
6. Гольдаде В.А., Пинчук Л.С. Электретные пластмассы: физика и материаловедение. / Под ред. В.А. Белого. -Мн.: Наука и техника, 1987. - 231 с.
7. Галиханов М.Ф. Исследование электретных свойств сополимера винилхлорида с винилацетатом. / Галиханов М.Ф., Еремеев Д.А., Дебердеев Р.Я. // Материаловедение. - 2004. - № 6. - С. 18-20.
8. Гороховатский Ю.А., Рычков Д.А., Чепурная Н.А. и др.
// Материалы Х Междунар. конф. «Физика
диэлектриков». - С.-П.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2004. - С. 283-285.
© А. А. Муслимова - лаборант КНИТУ; А. П. Виранева - ст. асс. каф. экспериментальной физики Пловдивского университета им. Паисия Хилендарского (Болгария); Т. А. Йовчева - доц. каф. экспериментальной физики Пловдивского университета им. Паисия Хилендарского (Болгария); М. Ф. Галиханов - д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected].
