CC BY
51
УДК 541.64:678 А. А. Гужова
ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК НА ЭЛЕКТРЕТНЫЕ СВОЙСТВА
Ключевые слова: короноэлектрет, полиэтилен, полиэтилентерефталат, толщина.
Были изучены электретные характеристики пленок полиэтилена высокого давления и полиэтилентерфталата различной толщины. Были рассмотрены такие параметры электретных пленок как потенциал поверхности, напряженность электрического поля и эффективная поверхностная плотность заряда. Показано, что электретное состояние наиболее стабильно в пленках, обладающих наибольшей толщиной.
Keywords: corona electret, polyethylene, polyethylene terephthalate, thickness.
Electret characteristics were studied for polyethylene and polyethylene terephthalate films of various thickness. Such electret film parameters as surface potential, electric field strength and efficient surface charge density were considered. Electret state was shown to be more stable for thicker films.
Введение
Основной функцией полимерной упаковки является защитная. По международному стандарту ГОСТ Р ИСО 9004-1-94 «Общее руководство качеством и элементы системы качества» упаковка, наряду с хранением, относится к 7-му этапу жизненного цикла продукции, назначением которого является сохранение достигнутого уровня качества. Особенно актуальным данный вопрос является для упаковки пищевых продуктов.
В настоящее время в упаковочной промышленности идет поиск активных материалов, которые могли бы обеспечить более длительный срок хранения продуктов, при этом, значительно не увеличивая стоимость самой упаковки. Одним из таких активных материалов является электрет -диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле [1, 2]. В литературе описывается положительное влияние полимерных электретных пленок на срок хранения и качество различных пищевых продуктов, упакованных в них [3-7].
Однако для упаковки пищевых продуктов используются разнообразные полимерные пленки с различной толщиной. В этой связи целью работы было изучение влияния толщины наиболее распространенных в упаковочной промышленности полимерных пленок на их электретные свойства.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования были выбраны промышленные пленки полиэтилена высокого давления (ПЭВД) толщиной 40, 70, 100 и 130 мкм производства ООО «Данафлекс Нано» и пленки полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной 12 и 60 мкм. ПЭВД пленки состоят из полиэтилена низкой плотности и линейного полиэтилена низкой плотности, также содержат функциональные добавки скольжения, антиблокинговые и процессинговые добавки. Они обладают
прочностью на разрыв не менее 23 МПа, удлинением не менее 350 % в продольном направлении и 550 % в поперечном. ПЭТФ пленки обладают прочностью на разрыв не менее 172 МПа и относительным удлинением при разрыве не менее 80%.
Электретирование осуществлялось следующим образом: образцы подвергались предварительному нагреву в термошкафу в течение 10 мин при 90 °С, а затем охлаждались в поле отрицательного коронного разряда. Коронирующая установка, представлена на рисунке 1. Коронирующий электрод состоит из 196 заостренных игл, равномерно расположенных на площади 49 см2 в виде квадрата. Расстояние между образцом и электродом составляло 20 мм, напряжение поляризации 30 кВ, время поляризации 30 с.
Рис. 1 - Экспериментальная установка электретирования в коронном разряде: 1 -источник напряжения коронирующего электрода; 2 - заземленный электрод; 3 -коронирующий электрод; 4 - образец
Электретированные образцы хранились при комнатных условиях в бумажных конвертах.
Потенциал поверхности Уэ, напряженность электрического поля Е и эффективную поверхностную плотность заряда сэфф определяли с помощью прибора ИПЭП-1, принцип действия которого основан на методе периодического экранирования приемного электрода, находящегося на некотором расстоянии от поверхности электрета. Погрешность измерения не превышала 3 %. Оценка
результатов проводилась на основании средних величин из 5 параллельных опытов.
Результаты и их обсуждение
Характеры изменения электретных свойств полиэтиленовой и полиэтилентерефталатной пленок схожи и соответствуют зависимостям, наблюдавшимся ранее для данных и других полимеров [1, 2, 8]. На графиках зависимости потенциала поверхности пленок (рис. 2 и 3) можно выделить две области: область резкого спада величины заряда (I) и область его стабилизации (II).
Рис. 2 - Зависимость потенциала поверхности электретированных ПЭ пленок различной толщины от времени хранения
Рис. 3 - Зависимость потенциала поверхности электретированных ПЭТФ пленок различной толщины от времени хранения
Это явление можно объяснить тем, что при электретировании в коронном разряде происходит инжекция носителей заряда в материал, где они захватываются энергетическими ловушками различных уровней, в качестве которых могут служить примеси, структурные аномалии, граница раздела между кристаллической и аморфной фазами и т.п. [1, 2]. Резкий спад потенциала поверхности в области (I) обусловлен высвобождением носителей заряда из мелких поверхностных энергетических ловушек. После этого величина потенциала поверхности определяется количеством
инжектированных носителей заряда, попавших в более глубокие ловушки (область II).
Характер изменения напряженности электрического поля и эффективной поверхностной плотности заряда аналогичен зависимостям потенциала поверхности, приведенным на рисунках 2 и 3, и их значения в различные моменты времени приведены таблице 1.
Таблица 1 - Потенциал поверхности, напряженность электрического поля и эффективная поверхностная плотность заряда электретов на основе ПЭВД и ПЭТФ пленок различной толщины
ПЭВД ПЭТФ
Параметры электрета т, день 40 мкм 70 мкм 100 мкм 130 мкм 12 мкм 60 мкм
0 0,36 0,22 1,02 0,94 0,8 2,67
3 3 0,05 0,06 0,06 0,10 0,10 0,37
20 0,03 0,02 0,04 0,07 0,01 1,47
42 0,02 0,02 0,04 0,06 0 0,22
0 22,3 15,8 63 58,2 50,5 166
.S m 3 3,2 3,5 3,8 6,3 6,4 23,1
« w" 20 1,8 1,2 2,7 3,9 0,4 6,6
42 1,4 1,3 2,6 3,6 0,1 3,1
0 0,2 0,13 0,55 0,51 0,44 1,46
„ s fs3 3 20 0,03 0,02 0,03 0,03 0,03 0,02 0,06 0,04 0,05 0 0,2 0,10
42 0,01 0,01 0,02 0,03 0 0,03
Из рисунков 2, 3 и таблицы 1 видно, что наиболее стабильными значениями электретных свойств обладает пленка с наибольшей толщиной (130 мкм). Данный эффект в литературе описывается по-разному. Так Xia Zhongfu и коллеги [9], изучая пленки Teflon FEP различной толщины, установили, что средняя глубина заряда у более толстых пленок больше, что авторы объясняют влиянием объемной проводимости. Chen Gang-jin с коллегами при исследовании ПТФЭ пористых пленок различной толщины также отмечал, что чем толще пленка, тем большее количество заряда в ней может храниться, и тем выше потенциал поверхности [10]. В работе [11] изучалась зависимость электретной разности потенциала и спектров токов ТСД ПЭТФ пленок при разных толщинах. Было показано, что с уменьшением толщины образцов наблюдается постепенное увеличение высоты низкотемпературного максимума при Т=80°С и уменьшение высоты максимума Т=120°С. Исследования зависимости электретной разности потенциалов (ЭРП) от времени хранения электретов в комнатных условиях показали, что с уменьшением толщины полимерных пленок скорость спада ЭРП возрастает. Исследования, проведенные Ю.А. Гороховатским и коллегами [12] по изучению влияния толщины пленки на электрофизические свойства полидифинилен-фталида показали, что энергия
активации центров захвата для электронов слабо увеличивается с ростом толщины (W= (0,65±0,02) эВ). Однако объяснений указанному феномену ни в одном из приведенных источников не приводится.
В настоящем исследовании изменение электретных свойств в зависимости от толщины пленок можно объяснить двумя причинами: особенностями высвобождения инжектированных носителей заряда из энергетических ловушек и технологическими особенностями изготовления электретов. В первом случае при миграции инжектированных носителей заряда в объеме полимера (в процессе перезахвата) вероятность высвобождения заряда в тонких пленках выше, что обуславливает более быструю его релаксацию. Под технологическими особенностями изготовления электретов подразумевается процесс охлаждения пленок в поле коронного разряда. В более толстых образцах процесс теплоотдачи длится дольше, что позволяет захватить носители заряда на большую глубину.
Заключение
Таким образом, наиболее высокими электретными свойствами обладают полимерные пленки с наибольшей толщиной, что обусловлено более медленным охлаждением образцов в поле коронного разряда и меньшей вероятностью высвобождения носителей заряда при их миграции в объеме полимера.
Литература
1. Лущейкин Г.А. Полимерные электреты. - М.: Химия, 1984. - 184 с.
2. Sessler G.M., Gerhard-Multhaupt, R. (editors). Electrets. Third edition in two volumes. - California, USA: Laplacian Press, Morgan Hill, 1998/1999. - 472/360 p.
3. Галиханов М.Ф., Борисова А.Н., Дебердеев Р.Я. Бактреиостатическая упаковка для мясных продуктов // Пищевая промышленность. 2006. № 12. С. 42.
4. Галиханов М.Ф., Борисова А.Н., Крыницкая А.Ю. Активная упаковка для хлебобулочных изделий // Хранение и переработка сельхозсырья. 2006. № 5. С. 5963.
5. Галиханов М.Ф., Борисова А.Н., Крыницкая А.Ю., Дебердеев Р.Я. Влияние активного упаковочного материала на качество молока // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2005. № 2-3. С. 71-73.
6. Галиханов М.Ф., Борисова А.Н., Дебердеев Р.Я., Крыницкая А.Ю. Активная упаковка масла // Пищевая промышленность. 2005. № 7. С. 18.
7. Галиханов М.Ф., Борисова А.Н., Дебердеев Р.Я. Активный упаковочный материал для яблок // Вестник Казанского технологического университета. 2004. № 2. С. 163-167.
8. Муслимова А.А., Виранева А.П., Иовчева Т.А., Галиханов М.Ф. Изучение электретных свойств короноэлектретов на основе полилактида. Вестник Казанского технологического университета, 2012, T. 15, №10, 128130
9. Xia Zhongfu; Wu Jun; Jiang Jian Influence of thickness on properties of polymer films electrets // Electrets, (ISE 7) Proceedings, 7th International Symposium on Electrets 2527 Sep 1991, pp.100-105
10. Chen Gang-jin, Xiao Hui-ming, Zhu Chun-feng Charge dynamic characteristics in corona-charged polytetrafluoroethylene film electrets // Journal of Zhejiang University Science, 2004, Vol. 5 No. 8, pp. 923-927
11. Борисова М.Э., Койков С.Н., Новиков Г.К, Цобкало Е.Г. Влияние толщины электретных пленок на спектры токов ТСД короноэлектретов. // Электретный эффект и электрическая релаксация в твердых диэлектриках. Межвузовский сборник. - М.: Изд. МИЭМ, 1984. -С. 7075.
12. Гороховатский Ю.А., Карамов Д.Д., Мусралиева Ю.Ж., Пономарев А.Ф. Влияние толщины пленки электроактивного полимера на его электрофизические характеристики // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. 2013, №157, с. 60-69
© А. А. Гужова - аспирант, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected].
© A. А. Guzhova - Ph.D student, Department of Processing Technology of Plastics and Composite Materials, KNRTU, Kazan, Russia. E-mail: [email protected].
