Vliv záření na vlastnosti polymerů - Změna vybraných mechanických vlastností v závislosti na absorbované dávce záření

Ing. Zdeněk HOLÍK

Doctoral thesis

The influence of irradiation on polymers properties - The influence of absorbed dose of radiation on the change of selected mechanical properties

Abstract:

Radiační síťování polymerních materiálů je pojem známý více než půl století a řadí se mezi moderní a přesné modifikace polymerů se silným potenciálem zejména v technické praxi. Interakce ionizujícího záření s polymery může vést ke změně mechanických, tepelných, ale i chemických vlastnosti. Nicméně se ukazuje, že i přes značné úsilí věnované tomuto tématu v posledních 50. letech, provedené experimenty často nezohledňují celou řadu faktorů, které mohou významně ovlivnit výsledek modifikace. Často také chybí ucelený pohled z hlediska velikosti dávky záření, ekonomiky procesu ozařování a návaznosti na využitelnost těchto poznatků v praxi průmyslového ozařování. Tato disertační práce se zabývá studiem vlivu různých dávek ionizačního beta záření na vybrané mechanické vlastnosti komerčně dostupných polyolefinů. Dávky záření byly zvoleny s ohledem na co nejpodrobnější popis změn sledovaných mechanických vlastností, a to v rozsahu dávek záření 15 až 198 kGy. Změny mechanických vlastností jsou reprezentovány zkouškami v tahu a rázové houževnatosti, dále pak zkouškou tvrdosti a sledováním tepelných vlastností při zkoušce DSC a TMA. Poslední část práce se věnuje popisem strukturálních změn zkoumaných materiálů HDPE a LDPE pomocí RTG difrakce. Zkouška vlastností v tahu byla provedená při pokojové a zvýšené teplotě a sledovanými veličinami byly mez pevnosti v tahu, modul pružnosti v tahu a poměrné prodloužení při mezi pevnosti v tahu. Výsledkem studie je zjištění, že modifikace polyetylénů ionizačním zářením má jednoznačný vliv na zkoumané vlastnosti, a to zejména při měření za zvýšené teploty. Nejvýrazněji se modifikace projevila při měření meze pevnosti LDPE při zvýšené teplotě, kdy hodnota meze pevnosti rostla se zvyšující se dávkou záření téměř lineárně. Hodnoty rázové houževnatosti rostly se zvyšující se dávkou záření. Jediný materiál LDPE měřený při snížené teplotě vykázal vyšší hodnoty při nižších dávkách záření, kde při dávkách vyšších než 99 kGy byla hodnota rázové houževnatosti nižší než u neozářeného referenčního materiálu. Termomechanická analýza byla měřená za účelem stanovení tepelné odolnosti neozářených a ozářených materiálů. Bylo zjištěno, že se stoupající se dávkou záření, roste tepelná odolnost obou zkoumaných polymerů, a to vysoko nad teplotu tání základního polymeru. Sledováním tepelných vlivů před a po ozáření zkoumaných materiálů pomocí DSC analýzy bylo zjištěno, že se stoupající dávkou záření klesá trend hodnoty teploty tání a krystalizace. Výsledky rentgenové difrakce jednoznačně potvrdily fakt, že síťování probíhá zejména v amorfních oblastech polymeru.

Abstract:

Radiation cross-linking of polymeric materials is a concept well known more than half a century and it is one of modern and precise modification of polymers with strong potential in engineering practice. The interaction of ionizing radiation with a polymer may cause changes in the mechanical, thermal, as well as chemical properties. However, despite considerable effort devoted to this topic in recent years, a view on the available literature shows that performed experiments often do not reflect a number of factors that may significantly affect the outcome of modifications. Also often is missing a comprehensive view in terms of size the radiation dose, the economy of the irradiation process and linkage to a utilization of this knowledge in the practice of industrial irradiation. This dissertation studies the effect of different doses of ionizing beta radiation on the mechanical properties of commercially available polyolefins. Radiation doses were chosen with the most detailed description of the changes observed mechanical properties and it were the doses from 15 kGy to 198 kGy. Changes in mechanical properties is represented by the tensile test and impact hammer test as well as hardness testing and monitoring thermal properties of the test DSC and TMA. The last part is devoted to the description of structural changes in the studied materials HDPE and LDPE by X-ray diffraction. Tensile test was carried out at room and elevated temperature and monitored variables were tensile strength, tensile modulus and elongation at tensile strength. The result of the study is the finding that the modification of polyethylenes by ionizing radiation has a clear impact on the studied properties particularly in case of measurement at elevated temperature. The most significant modifications are reflected in the measurement of tensile strength of LDPE at elevated temperature, the value of tensile strength increased with increasing dose of radiation almost linearly. The values of impact strength increased with increasing radiation dose. Only the LDPE material measured at a reduced temperature showed a higher value of impact strength at lower doses of radiation, where, at doses higher than 99 kGy, the value of impact resistance is lower than the impact resistance of nonirradiated reference material. Thermo-mechanical analysis was measured in order to determine thermal resistance of non-irradiated and irradiated materials. It was found that with a rising of the dose of radiation the heat resistance of both investigated polymers increases as well and this resistance was moreover well above the melting temperature of the basic polymer. Monitoring thermal effects of the materials before and after irradiation investigated by DSC analysis found that with increasing dose of radiation the trend of the melting temperature and crystallization temperature decreases. Results of X-ray diffraction was clearly confirmed the fact that cross-linking occurs primarily in the amorphous regions of polymer.

Keywords

Radiační síťování, ozařování polymerů, mechanické vlastnosti.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 9. 2013

Accessible from:: 6. 9. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 22. 11. 2013
• Supervisor: doc. Ing. Miroslav Maňas, CSc.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Chemistry and Materials Technology