16
KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA) I POLI(ETILEN-OKSIDA) CHARACTERIZATION OF POLY(VINYL CHLORIDE) AND POLY(ETHYLENE OXIDE) BLENDS Nataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki fakultet u Splitu,Teslina 10/V 21000 Split, Hrvatska, e-mail: [email protected] Sažetak: Istraživane su interakcije poli(vinil-klorida) (PVC) i poli(etilen-oksida) (PEO) i to u otopini, taljevini i u čvrstom stanju. Interakcije polimera procijenjene su na temelju Sunove teorije određivanjem parametra α iz viskozimetrijskih podataka. Diferencijalnom pretražnom kalorimetrijom (DSC) i infracrvenom (FT-IR) spektroskopijom istražuju se interakcije polimera u taljevini, odnosno u čvrstom stanju DSC krivulje istraživanih mješavina pokazuju dvije temperature staklastog prijelaza koje odgovaraju staklištima čistih polimera, što je karakteristika nemješljivosti, i neznatno sniženje tališta PEO-a. Na FT-IR spektrima također nisu uočeni pomaci karakterističnih vrpci koji bi ukazivali na mješljivost. Toplinska stabilnost PVC-a i PEO-a u mješavini istraživana je dinamičkom termogravimetrijom (TG). Interakcije komponenata mješavine i njihovih razgradnih produkata procijenjene su usporedbom eksperimentalnih termogravimetrijskih krivulja i krivulja izračunatih na osnovu pravila aditivnosti. Ključne riječi: diferencijalna pretražna kalorimetrija, dinamička termogravimetrija, infracrvena spektroskopija sa Fourierovom transformacijom, poli(etilen-oksid), poli(vinil- klorid), viskozimetrija razrijeđenih otopina Abstract: The aim of this work is to evaluate interactions of poly(vinyl chloride) (PVC) and poly(ethylene oxide) (PEO) in solution, in molten and solid state. The presence of

KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)

I POLI(ETILEN-OKSIDA)

CHARACTERIZATION OF POLY(VINYL CHLORIDE) AND

POLY(ETHYLENE OXIDE) BLENDS

Nataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav LekoZavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki fakultet u Splitu,Teslina 10/V

21000 Split, Hrvatska, e-mail: [email protected]

Sažetak: Istraživane su interakcije poli(vinil-klorida) (PVC) i poli(etilen-oksida) (PEO) i to u otopini, taljevini i u čvrstom stanju. Interakcije polimera procijenjene su na temelju Sunove teorije određivanjem parametra α iz viskozimetrijskih podataka. Diferencijalnom pretražnom kalorimetrijom (DSC) i infracrvenom (FT-IR) spektroskopijom istražuju se interakcije polimera u taljevini, odnosno u čvrstom stanju DSC krivulje istraživanih mješavina pokazuju dvije temperature staklastog prijelaza koje odgovaraju staklištima čistih polimera, što je karakteristika nemješljivosti, i neznatno sniženje tališta PEO-a. Na FT-IR spektrima također nisu uočeni pomaci karakterističnih vrpci koji bi ukazivali na mješljivost. Toplinska stabilnost PVC-a i PEO-a u mješavini istraživana je dinamičkom termogravimetrijom (TG). Interakcije komponenata mješavine i njihovih razgradnih produkata procijenjene su usporedbom eksperimentalnih termogravimetrijskih krivulja i krivulja izračunatih na osnovu pravila aditivnosti.

Ključne riječi: diferencijalna pretražna kalorimetrija, dinamička termogravimetrija, infracrvena spektroskopija sa Fourierovom transformacijom, poli(etilen-oksid), poli(vinil-klorid), viskozimetrija razrijeđenih otopina

Abstract: The aim of this work is to evaluate interactions of poly(vinyl chloride) (PVC) and poly(ethylene oxide) (PEO) in solution, in molten and solid state. The presence of interactions among the investigated polymers in solution was evaluated according to the Sun theory by determination of α parameter from the viscosimetric data. Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) were used in order to evaluate interactions of amorphous PVC and semi-crystalline PEO in molten and solid state, respectively. The DSC heating curves of PVC/PEO blends show two glass transition temperatures, Tg, which corresponds to the PVC and PEO glass transition temperatures, and also very small PEO melting temperatures depression. This behaviour is characteristic of immiscible blends. The shifts in characteristic peaks in FTIR spectra which would indicate miscibility are not observed, too. Thermal stability of the PVC and PEO in blends was investigated by dynamic thermogravimetry (TG). The interaction of blend components and its degradation products were evaluated by comparison of the experimental thermogravimetry curves with those calculated according to the additivity rule.

Keywords: differential scanning calorimetry, dilute solution viscometry, dynamic thermogravimetry, Fourier transform infrared spectroscopy, poly(ethylene oxide), poly(vinyl chloride)

Page 2: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

1. UVOD

Poli(etilen-oksid) (PEO) je djelomično kristalan, biokompatibilan, biorazgradljiv i u vodi topljiv polimer.1 Pokazuje izvrsnu preradljivost i izvanredna mehanička svojstva. Komercijalno je dostupan u širokom području molekulskih masa (20 000 - 8 000 000) i ima vrlo raznoliku primjenu u farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji, u proizvodnji premaza i papira, medicini, itd.2,3 U novije vrijeme osobito je interesantna njegova primjena u izradi polimernih membrana. PEO ima veliki afinitet prema CO2, te može selektivno izdvojiti CO2 iz smjese plinova.2 Međutim, čisti PEO je sklon kristalizaciji i ne može tvoriti homogene membrane bez strukturnih defekata, a također se ne može upotrijebiti pri visokim temperaturama i tlakovima zbog loših mehaničkih svojstava pri tim uvjetima. Miješanjem PEO-a s relativno jeftinim poli(vinil-kloridom) (PVC) poboljšava se čvrstoća i otpornost na trošenje polimernih membrana.4 Mješavine PVC-a i PEO-a upotrebljavaju se i za druge namjene, npr. za izradu ambalažnih materijala, poljoprivrednih filmova, kao sustav za pohranu toplinske energije, za izradu funkcionalnih premaza visokih barijernih svojstava itd.5,6 U literaturi4,7-9 postoje proturječni podatci o potpunoj ili djelomičnoj mješljivosti PVC-a i PEO-a. Dok jedni smatraju da su PEO i PVC mješljivi samo pri većim udjelima PVC-a u mješavini, drugi nalaze da su mješljivi ako za udjele PVC-a manje od 60 %. Etxeberria i ostali10 zaključili su da su mješljivi pri velikom udjelu PVC-a (80 mas%) ili PEO-a (80 mas%), dok su istraživani polimeri manje kompatibilni za sastav 50/50. Prema S. M.da Neiro i sur.9 mišljenja su da mješljivost ovih polimera ovisi o molekulskoj masi PEO-a pri čemu se pozitivne interakcije u mješavini smanjuju povećanjem molekulske mase.

Svojstva mješavina značajno ovise o metodama i uvjetima pripreme, mješljivosti komponenata, specifičnim interakcijama, morfologiji uzorka kao i o molekulskoj masi te raspodjeli molekulskih masa. Stoga je cilj ovog rada bio istražiti interakcije amorfnog PVC-a i djelomično kristalnog PEO-a u otopini, taljevini i čvrstom stanju, odnosno istražiti toplinsku stabilnosti komponenata mješavine budući da su one izložene djelovanju topline tijekom proizvodnje i uporabe.

2. EKSPERIMENTALNI DIO

2.1. Materijal i priprema

Za pripremu mješavina upotrijebljeni su komercijalni polimerni prahovi PVC-a (Mv = 86000), proizvođača Solvin, Belgija i PEO-a (Mv = 100000), proizvođača Dow Chemical, SAD.

PVC/PEO mješavine različitih masenih omjera (100/0, 80/20, 60/40, 50/50, 40/60, 20/80 i 0/100), za toplinske i spektroskopske metode, pripremljene su miješanjem polimernih prahova u laboratorijskom ekstruderu (Dynisco, Qualitest North America) pri 160 oC i brzini pužnog vijka od 180 okr/min. Nakon ekstrudiranja uzorci su toplo presani. Da bi se spriječila toplinska razgradnja PVC-a tijekom ekstrudiranja u mješavine je dodano 2 mas.% Ca/Zn stabilizatora (Reapack B-NT/7060).

2.2. Viskozimetrija razrijeđenih otopina

Viskozimetrijska mjerenja provedena su pomoću Ubbelhodeova kapilarnog viskozimetra pri konstantnoj temperaturi 30,0 ± 0,1 °C. Početne otopine homopolimera PVC-a i PEO-a pripremljene su otapanjem polimernih prahova u tetrahidrofuranu (THF) u koncentraciji 0,5 g/dL. Binarne otopine pripremljene su miješanjem odgovarajućih količina polimernih otopina u omjerima 100/0, 80/20, 60/40, 50/50, 40/60, 20/80 i 0/100. Relativna

Page 3: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

viskoznost ηrel izračunata je iz omjera vremenâ istjecanja otopine, t, i čistog otapala, t0 (ηrel = η/η0 = t/t0).

2.3. Difrencijalna pretražna kalorimetrija (DSC)

Toplinske karakteristike PVC-a i PEO-a u mješavinama određene su diferencijalnom pretražnom kalorimetrijom (Mettler Toledo DSC 823e) u atmosferi dušika (50 cm3/min). Za određivanje staklišta (Tg) uzorci su zagrijavani i hlađeni brzinom 20 oC min-1 od -90 do 120 oC. Pri temperaturi -90 i 120 oC uzorci su zadržavani po 5 minuta. Staklište je određeno iz drugog ciklusa zagrijavanja kao temperatura početka prijelaza, Tg(onset), i kao temperatura koja odgovara polovini maksimalne vrijednosti promjene specifičnog toplinskog kapaciteta, Tg(midpoint). Tališta (Tt) su određena iz DSC krivulja snimljenih brzinom zagrijavanja 10 oC min-1 od 25 do 120 oC kao onset temperatura, Tt(onset), i kao temperatura u vrhu endotermnog pika, Tt(max). Kristališta su određena na isti način iz krivulja hlađenja kao Tc(onset) i Tc(max). Entalpija taljenja, ΔHt, i kristalizacije, ΔHc, određene su kao površine ispod endotermnih, odnosno egzotermnih pikova.

2.4. Infracrvena spektrometrija s Fourievom transformacijom (FT-IR)

FT-IR spektri PVC/PEO mješavina zabilježeni su HATR (horizontalna prigušena totalna refleksija) tehnikom na Perkin Elmer Spectrum One FT-IR spektrometru. Spektri su rezultat 10 uzastopnih mjerenja pri rezoluciji od 4 cm-1 u području valnih brojeva od 4000 do 650 cm-1 pri sobnoj temperaturi.

2.5. Dinamička termogravimetrija (TG)

Toplinska razgradnja istraživanih polimera provedena je dinamičkom termogravimetrijom pomoću Perkin Elmer Pyris 1 TGA uređaja. TG krivulje PVC/PEO mješavina snimljene su u struji dušika (30 cm3min-1) u temperaturnom području 50 - 650 oC brzinom zagrijavanja 2,5°Cmin-1. Određene su karakteristike termogravimetrijskih (TG) i diferencijalnih termogravimetrijskih (DTG) krivulja: temperatura početka razgradnje (Tonset), temperatura pri kojoj polimer izgubi 5 % početne mase (T5%), temperatura pri maksimalnoj brzini razgradnje (Tmax) i maksimalna brzina razgradnje (Rmax).

3. REZULTATI RADA I RASPRAVA

3.1 Viskozimetrija razrijeđenih otopina

Interakcije istraživanih polimera u otopini karakterizirane su viskozimetrijskom metodom. Iz vremenâ protjecanja za svaku polimernu mješavinu izračunata je specifična viskoznost, (ηsp = ηrel -1), pri različitim koncentracijama otopine. Granični viskozni broj, [η] određen je iz grafičkog prikaza ovisnosti reducirane viskoznosti (ηsp/c) o koncentraciji otopine, c, prema Hugginsovoj jednadžbi:

(1)

Ovisnost (ηsp/c) nasuprot c za istraživano područje koncentracija je linearna. Iz nagiba ekstrapoliranih pravaca određene su Hugginsove konstante KH. Prema Sunovoj

Page 4: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

teoriji11 interakcije u polimernim mješavinama moguće je procijeniti određivanjem parametra α:

α = KH - K1 (2)

gdje je K1 parametar mješavine prema jed. 3:

(3)

KA, A, wA i KB, B, wB su Hugginsove konstante, granični viskozni broj i maseni udio PVC-a, odnosno PEO-a. Podatci za istraživane mješavine prikazani su u tablici 1.

Tablica 1. Viskozimetrijski podaci [η], b i α za PVC/PEO mješavine.w(PEO)/% [η]/cm3g-1 b/(cm3g-1)2 α

0 78 1955 -20 79 4001 0,29540 77 4268 0,38650 77 4576 0,42260 76 4353 0,40480 87 4799 0,257100 84 2640 -

Iz viskozimetrijskih podataka razrijeđenih otopina određuje se mješljivost na osnovu činjenice da molekule istraživanih polimera u otopini mogu postojati u molekulski dispergiranom stanju pri čemu se međusobno privlače ili odbijaju što će utjecati na viskoznost otopine. Vrijednosti parametra α > 0, ukazuju na postojanje privlačnih sila među komponentama mješavine. Obrnuto, ako su vrijednosti parametra α < 0, prevladavaju odbojne sile i polimeri su nemješljivi. Za sve istraživane mješavine PVC/PEO parametar α ima pozitivne vrijednosti (tablica 1). Pozitivne interakcije u otopini mješavina PVC-a i PEO-a mogle bi biti rezultat vodikove veze između α-vodikovog atoma iz CHCl skupine PVC-a i kisikovog atoma iz PEO-a. Jakost vodikove veze ovisi o mnogim čimbenicima, kao što su kiselost proton donora, bazičnost proton akceptora, dostupnost akceptora i donora, kristaličnost polimera, stereoregularnost i fleksibilnost lanca, uvjeti pripreme uzoraka, itd.12

3.2 Diferencijalna pretražna kalorimetrija

Rezultati istraživanja mješljivosti PVC-a i PEO-a diferencijalnom pretražnom kalorimetrijom prikazani su normaliziranim DSC krivuljama (slike 1 i 2). DSC krivulja PVC-a (slika 1a) pokazuje jedno staklište pri 83 oC (onset), odnosno 86 oC (midpoint), što je karakteristika amorfnog polimera. Na DSC krivulji zagrijavanja PEO-a (slika 1b) vidljivo je jedno staklište pri -55 oC (onset), odnosno -50 oC (midpoint) i jedna endoterma koja predstavlja taljenje kristalne faze djelomično kristaličnog PEO-a s temperaturom taljenja 63 oC (Tt(onset)), odnosno 69 oC (Tt(max)) (slika 2a). DSC krivulja hlađenja PEO-a (slika 2b) pokazuje jednu egzotermu koja odgovara kristalizaciji pri temperaturi 49 oC (Tc(onset)), odnosno 46 oC (Tc(max)). Na DSC krivuljama zagrijavanja PVC/PEO mješavina (slika 1a) uočava se staklište koji odgovaraja staklištu čistog PEO-a i jedna endoterma koja prikazuje taljenje kristala PEO-a (slika 2a). Mješavine 80/20 i 60/40 imaju i drugo staklište koje odgovara staklištu "čistog" PVC-a dok ga u ostalim mješavinama nije bilo moguće odrediti zbog preklapanja s endotermnim pikom taljenja PEO-a (slika 1a). Postojanje jedinstvenog staklišta

Page 5: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

mješavine koje se nalazi između staklišta čistih polimera smatra se kriterijem mješljivosti.13

Kod istraživanih mješavina nije uočen pomak staklišta mješavina u odnosu na staklišta čistih polimera.

Slika 1. Normalizirane DSC krivulje PVC/PEO mješavina:(a) Tg (PVC) i (b) Tg (PEO).

Slika 2. Normalizirane DSC krivulje PVC/PEO mješavina: (a) endoterme i (b) egzoterme.

40

45

50

55

60

0 20 40 60 80 100 120Maseni udio PEO / %

Stak

lište

PEO

-a, -

Tg

/ o C onset

midpoint

Slika 3. Ovisnosti Tg (PEO) o sastavu PVC/PEO mješavina.

Depresija tališta djelomično kristalnog polimera u mješavini s amorfnim također je pokazatelj mješljivosti polimera. Ovisnost tališta i kristališta kristalne komponente o povećanju udjela amorfnog polimera u mješavini prikazana je na slici 4. Dodatkom 20 %

Page 6: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

PVC-a u mješavinu Tt(max) snizi se za 9 oC i daljnjim povećanjem udjela amorfnog polimera u mješavini se ne mijenja. Tt(onset) nepromijenjeno je za sve sastave. Povećanjem udjela PVC-a u mješavinama kristalište se neznatno snizuje, svega 2-3 oC za 20 % PVC-a u mješavini.

55

65

75

85

0 20 40 60 80 100

Maseni udio PEO/%

Tališ

te, T

t / o C

Tt (onset)

Tt(maksimum)

44

47

50

53

0 20 40 60 80 100

Maseni udio PEO/%

Kris

tališ

te, T

c / o C Tc (onset)

Tc(maksimum)

Slika 4. Ovisnost tališta i kristališta o sastavu PVC/PEO mješavine.

Utjecaj amorfnog PVC-a na kristalizaciju PEO-a u mješavini istražen je usporedbom eksperimentalnih i računskih vrijednosti entalpija taljenja, ΔHt, i kristalizacije, ΔHc, (slike 5 i 6).Stupanj kristaličnosti (χc) izračunat je iz jednadžbi:

(4)

(5)

gdje je ΔHt,PEO entalpija taljenja PEO-a, ΔHt,mješavina entalpija taljenja PEO-a u mješavini, i entalpija taljenja 100 % kristaličnog PEO-a (188,1 Jg-1)14. Stupanj kristaličnosti PEO-

a izračunatog prema jednadžbi (4) iznosi 68 %. Smanjenjem masenog udjela PEO-a u mješavini vrijednosti entalpija ΔHt i ΔHc se smanjuju, pri čemu se razlike između eksperimentalnih i računskih vrijednosti, premda vrlo male, povećavaju smanjenjem udjela PEO-a u mješavini. Za mješavinu s 20 % PEO razlika entalpija iznosi 20 % (slike 5 i 6). Stupanj kristaličnosti, χc, PEO faze u mješavini manji je svega za 2-3 % u odnosu na čisti PEO, osim za mješavinu 80/20 za koju je manji 22 %. Ovi rezultati su u skladu sa zaključcima Marentettea i Browna5 prema kojima PVC ne utječe na kristalizaciju PEO-a, što je karakteristika nemješljivih sustava.

Page 7: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100

Maseni udio PEO / %

Enta

lpija

talje

nja,

H

t/Jg-1 eksp.

rač.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100

Maseni udio PEO / %

Enta

lpija

kris

taliz

acije

, H

c/Jg-1

eksp.rač.

Slika 5. Ovisnost ΔHt i ΔHc o sastavu PVC/PEO mješavine.

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100

Maseni udio PEO / %

Stup

anj k

rista

lično

sti,

c / %

Slika 6. Ovisnost stupnja kristaličnosti, χc o sastavu mješavine.

3.3 Infracrvena spektroskopija sa Fourierovom transformacijom

FT-IR spektri PVC/PEO mješavina prikazani su na slici 7. Valni brojevi karakterističnih vibracija za čisti PVC (mješavina 100/0) su: C-Cl istezanje pri 692 cm-1, C-C istezanje pri 1099 cm-1, C-H savijanje pri 1243 i 1330 cm-1 ( C-H u CHCl) i -CH2 savijanje pri 1426 cm-1. Valni brojevi karakterističnih vibracija za PEO (mješavina 0/100) su: C-O, C-C istezanje, CH2 njihajna vibracija pri 840 cm-1, CH2 njihajna vibracija, CH2 uvojna vibracija pri 960 cm-1, C-O, C-C istezanje, CH2 njihajna vibracija pri 1058 cm-1, C-O, C-C istezanje pri 1097 cm-1, C-O istezanje, CH2 njihajna vibracija pri 1145 cm-1, CH2 uvojna vibracija pri 1241 i 1278 cm-1, CH2 neravninska njihajna vibracija pri 1341 cm-1 i CH2 strižna deformacija pri 1466 cm-1.

Page 8: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

Slika 7. FT-IR spektri PVC/PEO mješavina.

Prisutnost triju oštrih pikova, tripleta (C-O, C-C vibracije istezanja) u području valnih brojeva 1000 - 1200 cm-1 dokazuje postojanje kristalne faze PEO-a u svim spektrima PVC/PEO mješavina. Ovi rezultati sukladni su rezultatima DSC mjerenja i ukazuju na zaključak da PVC-a ne ometa kristalizaciju PEO-a u mješavini. Postojanje pozitivnih interakcija koje bi bile posljedica vodikove veze u ovom sustavu nije potvrđeno FT-IR analizom budući da na spektrima mješavina nema pomaka karakterističnih pikova koji odgovaraju vibracijama C-C, C-O istezanja u PEO spektru, pri valnim brojevima 1098 i 840 cm-1, odnosno C-Cl istezanja pri 690 cm-1 ( ------- na slici 7).

3.4 Dinamička termogravimetrija

Rezultat dinamičke termogravimetrijske analize mješavina PVC/PEO su TG, odnosno DTG krivulje koje predstavljaju brzinu promjene mase u ovisnosti o temperaturi. Iz ovih krivulja, prikazanih na slici 8, vidljivo je da se PVC razgrađuje kroz dva razgradna stupnja u temperaturnom području od 50 do 650 ºC, a PEO kroz jedan stupanj. Do 400 ºC dehidrokloriranje PVC-a je osnovni razgradni proces praćen sporednim procesima umrežavanja, ciklizacije poliena i nastajanja benzena.16 Toplinska razgradnja PEO-a odvija se mehanizmom statističkog cijepanja lanca pri čemu nastaju niskomolekulni spojevi, uglavnom α-peroksidi i esteri mravlje kiseline.1 Toplinska razgradnja mješavina svih sastava odvija se također kroz dva osnovna razgradna stupnja. Na DTG krivuljama mješavina 80/20 i 20/80 uočavaju se dva maksimuma u prvom razgradnom stupnju. Kod ostalih mješavina ovi su se pikovi "stopili" u jedan. Iz TG i DTG krivulja određene su značajke razgradnog procesa i prikazane su na slici 9. Temperatura pri kojoj uzorak izgubi 5 % početne mase, T5%, i temperatura početka razgradnje, Tonset, čistog PVC-a iznosi 256, odnosno 278 ºC. Povećanjem udjela PEO-a u mješavini do 60 % ove se temperature gotovo ne mijenjaju, ali dodatkom 80 % PEO-a porastu za oko 10 ºC. Odgovarajuće temperaturne karakteristike za čisti PEO su oko 90 ºC više nego za PVC. Temperatura pri kojoj je brzina razgradnje najveća

Page 9: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

raste promjenom sastava mješavine od 278 ºC (za PVC) do 375 ºC (za PEO). Brzine razgradnje pri Tmax za oba polimera su približno jednakih vrijednosti. Dodatkom jednog ili drugog polimera ova brzina se smanjuje i najmanja je za mješavinu sastava 50/50.

Slika 8. TG i DTG termogravimetrijske krivulje toplinske razgradnje PVC/PEO mješavina

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60 80 100

Maseni udio PEO / %

Tem

pera

tura

/ o C

2

4

6

8

10

Rm

ax / %m

in -1T onset

T 5%

T max

R max

Slika 9. Ovisnost karakteristika TG i DTG krivulja o masenom udjelu PEO-a

Page 10: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

0

20

40

60

80

100

50 150 250 350 450 550 650Temperatura / oC

Mas

a / %

PEOPVC80/20 eksp80/20 rač

0

20

40

60

80

100

50 150 250 350 450 550 650Temperatura / oC

Mas

a / %

60/40 eksp60/40 rač

0

20

40

60

80

100

50 150 250 350 450 550 650Temperatura / oC

Mas

a / %

50/50 eksp

50/50rač

0

20

40

60

80

100

50 150 250 350 450 550 650Temperatura / oC

Mas

a / %

40/60 eksp

40/60 rač

0

20

40

60

80

100

50 150 250 350 450 550 650Temperatura / oC

Mas

a / %

20/80 eksp

20/80 rač

Slika 10. Usporedba eksperimentalnih i izračunatih TG krivulja PVC/PEO mješavina.

Na slici 10 uspoređene su eksperimentalne TG krivulje i krivulje izračunate na osnovu pravila aditivnosti.16 Eksperimentalne TG krivulje uglavnom slijede izračunate vrijednosti do temperature približno 300 oC za sve mješavine osim mješavine 80/20 za koju je ova temperatura 250 oC. Pri višim temperaturama postižu se veće konverzije razgradnje od očekivanih, pa se može zaključiti da postoje interakcije istraživanih polimera i njihovih razgradnih produkata. Veličina interakcija može se izraziti kao razlika eksperimentalnog i izračunatog stupnja konverzije, Δα, (Δα = (αexp - αrač.)/αrač.) i prikazana je na slici 12. Vrijednost Δα < 0 ukazuje na bolju toplinsku stabilnost od očekivane. Za mješavine PVC/PEO vrijednost Δα negativna je pri temperaturama nižim od 220 oC.

Page 11: KARAKTERIZACIJA MJEŠAVINA POLI(VINIL-KLORIDA)€¦  · Web viewNataša Stipanelov Vrandečić, Miće Jakić, Ivka Klarić, Tomislav Leko Zavod za organsku tehnologiju, Kemijsko-tehnološki

-3

-2

-1

0

1

2

3

200 250 300 350 400Temperatura / oC

Δα /

%

80/20

60/40

50/50

40/60

20/80

Slika 12. Ovisnost Δα o temperaturi za mješavine PVC/PEO

4. ZAKLJUČCI

Iz viskozimetrijskih mjerenja istraživanih PVC/PEO mješavina u tetrahidrofuranu nađene su pozitivne interakcije komponenti mješavine. One su vjerojatno rezultat vodikove veze između α-vodikovog atoma iz PVC-a i kisikovog atoma iz PEO-a. DSC i FT-IR analizom nije potvrđena mješljivost polimera u taljevini, odnosno u čvrstom stanju. Dinamička termogravimetrija u inertnoj atmosferi pokazala je da postoje interakcije istraživanih polimera i njihovih razgradnih produkata. Dodatak jednog ili drugog polimera mješavini smanjuje maksimalnu brzinu razgradnje druge komponente u svim mješavinama i ona je najmanja za mješavinu sastava 50/50. Usporedbom eksperimentalnih TG podataka i podataka dobivenih na osnovu pravila aditivnosti nađeno je da PEO toplinski stabilizira PVC do temperature oko 210 oC.

5. LITERATURA

1. K. Pielichowski,K. Flejtuch, J. Anal. Appl. Pyrol. 73 (2005) 131-138.2. H. Lin, B.D. Freeman, Journal of Membrane Science 239 (2004) 105–117.3. M.M. Crowley, F.Zhang. J.J. Koleng, J.W. McGinity, Biomaterials 23 (2003) 4241-4248.4. Z. Luo, J. Jiang, Polymer 51 (2010) 291–299. 5. S.Ramesh, A.H. Yahaya and A.K. Arof. Solid State Ionics 148 (2002) 483-486.6. M. Messori et al.:, Polymer 45 (2004) 805-813.

7. R.E.N. Castro et al: J. Mat.Sci. 38 (2003) 699-703.8. A.G. Margaritis and N.K. Kalfoglou: J.Polym.Sci.: Part B: Polym. Phy. 26 (1988) 1595-

1612. 9. S.M. da Silva Neiro et al.: Europ. Polym. J. 36 (2000) 583-589. 10. A. Exteberria et al., Europ. Polym. J. 29 (1993) 1483-1487.11. Z. Sun, W. Wang, and Z. Fung, Europ. Polym. J. 28 (1992) 1259.12. E. Morales, M. Salmeron and J.L.Acosta, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phy. 34 (1996) 2715-2721.13. A. M. Rocco et al., Polymer 42 (2001) 5199-5205. 14. J. M. Marentette i G. R. Brown, Polymer 39 (1998) 1415-1427.15. H. Kaczmarek i ostali, Polym. Degrad. and Stab. 92 (2007) 2058-2069.16. N. Stipanelov Vrandečić, I. Klarić and T. Kovačić, Polym. Degrad. Stabil. 84 (2004) 23- 30.