Radiační síťování – metoda zlepšování vlastností polymerů, 2. část

Radiační síťování – metoda zlepšování vlastností polymerů, 2. část

Pokračování článku o metodě zlepšování vlastností polymerů - radiačním síťováním, ze dne 16.2.2015.

3. Výsledky a diskuze

Byl stanoven obsah gelové fáze a zkoumány mechanické a tepelné vlastnosti polymerů (TPE-E, LDPE, HDPE) před ozařováním a po něm. K usnadnění vyhodnocení dat a pro porovnávání ozářených polymerů s neozářenými byly v některých případech použity bezrozměrné veličiny. Vlastnosti neozářených polymerů mají bezrozměrnou hodnotu „1“ a ostatní veličiny jsou vyjádřeny formou poměru hodnoty změřené u ozářeného polymeru k hodnotě téže vlastnosti neozářeného polymeru.

3.1 Obsah gelové faze ve struktuře ozářených polymerů

Výsledky měření obsahu gelové fáze v TPE-E po působení různých dávek záření zobrazuje obr. 4. Maxima obsahu gelu (86,3%) bylo dosaženo při dávce 198 kGy. Při nižších dávkách byl u LDPE a HDPE zjištěný nulový obsah gelové fáze (obr. 5, 6). I přes tyto výsledky prokázaly tahové zkoušky trend výrazného zlepšení už při těchto nízkých dávkách. To lze vysvětlit tvorbou mikrogelů, které vytvářejí elasticky aktivní zesíťované řetězce, které mohou přenášet tahové napětí.

Při zjišťování obsahu gelu ovšem tyto mikročástice projdou filtrem společně s rozpustnými složkami. Přesnost měření obsahu gelu závisí na propustnosti použitého filtru. Maxima obsahu gelu obou polyolefinů bylo dosaženo při dávce 198 kGy. Tato hodnota byla 67,3% v případě LDPE a 65,3% v případě HDPE.

 

   obr. 4: Obsahu gelové fáze v TPE-E

 

   obr. 5: Graf obsahu gelu v LD-PE po ozáření

 

   obr. 6: Obsahu gelové fáze v HDPE


3.2 Mechanické vlastnosti

Vliv různých dávek ionizačního záření na mechanické vlastnosti byl zjišťován tahovou zkouškou. Krípové vlastnosti zkoušených polymerů byly stanoveny při pokojové teplotě (23 °C) a při zvýšené teplotě (80 °C a 100 °C).

3.2.1. Tahová zkouška

Výsledky zkoušky pevnosti v tahu (σM) závisí převážně na množství obsahu vniklého gelu, na počtu vazebních molekul a na celkové morfologii krystalů.

Jak je patrné z obr. 7 mez pevnosti v tahu TPE-E po ozáření dávkou 66 kGy vzrostla o více než 35%. Při vyšší dávce než 66 kGy však pevnost v tahu klesá. Nad 132 kGy hodnota meze pevnosti v tahu osciluje okolo hodnoty neozářených zkušebních vzorků TPE-E. Naopak obsah gelu dál roste s velikostí ozařovací dávky.

Modul 100 (napětí působící při 100% prodloužení zkušebního vzorku) postupně roste se zvětšující se dávkou ozáření. Modul 100 je při dávce 198 kGy o více než 50% vyšší než u neozářených zkušebních vzorků (obr. 7).

 

 

   obr. 7:  Porovnání změny modulu pružnosti E100 a meze pevnosti v tahu σM TPE-E při 23°C

Poměrné prodloužení při mezi pevnosti v tahu TPE-E kontinuálně klesá s rostoucími dávkami ozáření. Při nejvyšší aplikované dávce 198 kGy zůstává poměrné prodloužení jen na 25% hodnoty u neozářených vzorků. Následkem ozáření významně klesla pružnost TPE-E.

 

   obr. 8: Porovnání poměrného prodloužení TPE-E při přetržení při teplotě 23 °C

Porovnání pevnosti v tahu a modulu pružnosti E (při 23 °C) u vysokohustotního polyetylenu (HDPE) a nízkohustotního polyetylenu (LDPE) před ozářením a po něm je znázorněno na obr. 9, 10, 14 a 15. Je evidentní, že síťování zvyšuje pevnost v tahu σM a modul pružnosti E u obou typů polyetylenů. Při pokojové teplotě se u obou ozářených typů polyetylenů zvýšila hodnota pevnosti v tahu o cca 10% u LDPE a 5% u HDPE v porovnání s neozářeným polyetylenem. Ovšem jak je zřejmé z obr. 9, nejvyšší hodnoty dávek záření neznamenají vždy nejvyšší hodnoty pevnosti v tahu.

Při vyšších teplotách okolo 100 °C je pozitivní účinek ionizačního záření na mez pevnosti v tahu mnohem vyšší. U LDPE je mez pevnosti v tahu po ozáření 198 kGy téměř o 60% vyšší v porovnání s neozařeným materiálem (obr. 9), zatímco HDPE vykazuje jen 10 % nárůst (obr. 14).

 

   obr. 9: Porovnání změny meze pevnosti v tahu σM LDPE při teplotách 23 °C a 100 °C


Při pokojové teplotě má ozáření pozitivní účinek na modul pružnosti E u obou typů polyetylenů: Po ozáření je modul pružnosti E vyšší o 30 - 35% u LDPE (obr. 10) a o 35 % u HDPE (obr. 15). Naproti tomu při 100 °C modul pružnosti E nevykazuje významné zvýšení u obou typů polyetylenů.

 

 

   obr. 10: Porovnání změny modulu pružnosti E pro LDPE při teplotách 23 °C a 100 °C

Obr. 11 zobrazuje závislost modulu pružnosti ozářených a neozářených LDPE v rozsahu teplot od pokojové teploty 23 °C až po zvýšenou teplotu 100°C. Modul pružnosti LDPE neozářených i ozářených (132 kGy) zkušebních těles s rostoucí teplotou klesá exponenciálně. Naproti tomu mez pevnosti v tahu (obr. 12) klesá s rostoucí teplotou lineárně. Také je nutno poznamenat, že polymery ozářené dávkou 132 kGy vykazovaly u všech zkušebních těles vyšší pevnost v tahu oproti zkušebním tělesům neozářeným.

 

   obr. 11: Porovnání modulu pružnosti E pro LDPE při různých teplotách

 
   obr. 12: Porovnání meze pevnosti v tahu σM LDPE při různých teplotách
 

   obr. 13: Porovnání poměrného prodloužení LDPE při mezi pevnosti v tahu ɛσM při různých teplotách

Zatímco změny modulu pružnosti a meze pevnosti v tahu LDPE před a po ozáření vykazovaly podobnou charakteristiku, změny poměrného prodloužení při pevnosti v tahu byly velmi různé  (obr. 13). Poměrné prodloužení neozářených zkušebních těles LDPE rostlo z hodnoty 67,6% při pokojové teplotě až na hodnotu 74,1% při 40 °C a pak klesalo na hodnotu 54,8% při maximální teplotě 100 °C. Naproti tomu poměrné prodloužení ozářených LDPE rostlo v intervalu teplot měření z hodnoty 70,9% až na hodnotu 91,2%.

   obr. 14: Porovnání změny meze pevnosti v tahu σM HDPE při 23 °C a 100 °C

   obr. 15: Porovnání změny modulu pružnosti E pro HDPE při teplotách 23 °C a 100 °C

Modul pružnosti HDPE neozářených a ozářených zkušebních těles dávkou 132 kGy klesal exponenciálně s rostoucí teplotou. V případě neozářených klesal modul pružnosti E z hodnoty 873,1 MPa při pokojové teplotě až na hodnotu 70,9 MPa při 120 °C. Neozářené zkušební tělesa nebylo možno měřit při 130 °C (obr. 16), zatímco u ozářených zkušebních těles byl změřený modul pružnosti E 45,8 MPa při 130 °C.

   obr. 16: Porovnání modulu pružnosti E pro HDPE při různých teplotách

Mez pevnosti v tahu HDPE neozářených a ozářených zkušebních těles dávkou 132 kGy klesala exponenciálně s rostoucí teplotou. V případě neozářených zkušebních těles klesla od počáteční hodnoty 22,5 MPa při pokojové teplotě až na hodnotu 5,52 MPa při 120 °C. Neozářené zkušební zkušební tělesa nebylo možno měřit při 130 °C (obr. 17), zatímco u ozářených zkušebních těles byla změřená mez pevnosti v tahu 4,81 MPa při 130 °C.

 

   obr. 17: Porovnání meze pevnosti v tahu σM HDPE při různých teplotách

Z obr. 18 je patrné, že poměrné prodloužení při mezi pevnosti v tahu ƐσM [%] roste s rostoucí teplotou jak u ozářených tak i neozářených zkušebních těles HDPE, přičemž neozářené vykazují vyšší hodnoty při nižších teplotách. Změna nastane při teplotě okolo 80 °C, za kterou ozářené zkušební tělesa HDPE dosahují vyšších hodnot poměrné prodloužení při mezi pevnosti v tahu.

Maximální poměrné prodloužení u neozářených zkušebních těles HDPE bylo 44,5% při 110 °C. U ozářených zkušebních těles dosáhli hodnoty poměrného prodloužení 50,4% při 120 °C. Pak poměrné prodloužení při mezi pevnosti v tahu obou typů (ozářené i neozářené) klesala. Je zajímavé, že nad 120 °C si hodnotu poměrného prodloužení zachovaly jen ozářené zkušební tělesa, zatímco neozářené zkušební tělesa nevyhověly.

 
   obr. 18: Porovnání poměrného prodloužení HDPE při mezi pevnosti v tahu ɛσM při různých teplotách

pokračování článku bude zveřejněno 02.03.2015

1. část »

3. část »


Formulář White paper - Radiační sítování: Od plastu k vysoce odolnému materiálu


AUTORI
:
Ing. Michal Daněk, Ph.D.1, Dr. Andreas Ostrowicki1, Ing. Zdeněk Holík, Ph.D.2, doc. Ing. Miroslav Maňas CSc.3, Ing. Aleš Mizera4, Ing. Martin Řezníček4

1BGS Beta-Gamma-Service GmbH & Co. KG., Fritz-Kotz-Strasse 16, Wiehl, D-51674, Německo, E-mail: danek@bgs.eu, ostrowicki@bgs.eu, Tel.: +49-22617899-0, Fax: +49-22617899-45

2Robert Bosch, spol. s.r.o., Roberta Bosche 2678, České Budějovice, CZ-370 04, Česká Republika, E-mail: zdenek.holik@cz.bosch.com, Tel: +420-380 403 354

3Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta Aplikované informatiky, Vědeckotechnický park ICT, Nad Stráněmi 5656, Zlín 5, CZ-760 05, Česká Republika, E-mail: manas@fai.utb.cz, Tel.: +420-57603-5631

4Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta Technologická, Ústav výrobního inženýrství, nám. TGM 275, Zlín, CZ-762 72, Česká Republika, E-mail: holik@ft.utb.cz, Tel: +420-57603-5280, Fax: +420-57603-5176

www.bgs.eu
Kontakty »

  • autor:
  • BGS Beta-Gamma-Service GmbH & Co. KG.
  • BGS Beta-Gamma-Service GmbH & Co. KG.

    BGS Beta-Gamma-Service GmbH & Co. KG.

    Průmyslové ozařování, procesy optimalizace plastových výrobků, radiační síťování plastových výrobků, radiační sterilizace, beta a gama ozařování.



Mohlo by vás také zajímat



 

Archiv článků

Nejbližší výstavy a semináře