Vliv záření na vlastnosti polymerů - Změna machanických vlastností radiačně zasíťovaných konstrukčních polymerů v závislosti na absorbované dávce záření

Ing. Michal DANĚK

Doctoral thesis

The influence of irradiation on polymers properties - The influence of dose on the change of mechanical properties of irradiated technical polymers

Abstract:

Vliv ionizačního záření na polymery je znám od 50. let minulého století. Výsledky ukázaly vedle efektivního způsobu modifikace konečných vlastností plastových výrobků i na ekonomické výhody této technologie. Některé poznatky však zůstávají dosud zcela nevysvětleny a každý nový poznatek o vlivu ionizačního záření tak může přispět k lepšímu pochopení dané problematiky a může tak rozšířit pole nových aplikací. Odborné články a literatura citované v této doktorské práci se soustředí na popis vlivu ionizačního záření na vlastnosti zkoumaných polymerů, ale obsahují nedostatečné množství komplexních informací. Lze z nich jen obtížně získat některé odpovídající korelace mezi ionizačním beta zářením a změnou morfologie s odpovídajícím profilem změn mechanických vlastností, potřebných pro přesné modifikace průmyslových aplikací s radiačně zesíťovaných polyamidů. Záměrem této práce je popsat vliv různých dávek ionizujícího beta záření na změny vybraných mechanických vlastností běžně dostupných typů síťovatelných polyamidů od různých výrobců s různou formou plnění, s cílem zahrnout co možná nejširší oblast na trhu používaných síťovatelných polyamidů. V teoretické části práce je popsán vliv ionizujícího záření na polymery, jeho interakce v podobě radiačního síťování, přes faktory ovlivňující a zlepšující samotný proces síťování až po možné negativní vlivy v podobě degradace ozařovaných polymerů. Z provedené rešerše mimo jiné vyplynulo, že radiační síťování je výsledek rekombinace migrujících polymerních radikálů v amorfních oblastech. Způsob modifikace polymerů ozařováním je komplexní proces, jehož výsledný efekt ovlivňuje celá řada možných faktorů, které je při očekávaném zlepšení potřeba zohlednit anebo se je pokusit minimalizovat. Experimentální část se zabývá porovnáním změn vlivu dávek ionizujícího beta záření na tahové a rázové vlastnosti zkušebních těles za různých teplot u běžně dostupných typů síťovatelných polyamidů od různých výrobců a s různou formou plnění. Naměřená data jsou doplněna o vzniklé množství gelové fáze ve struktuře zkoumaných polyamidů a o jejich teplotní odolnost. Zvolené mechanické vlastnosti byly porovnány i s materiály neozářenými. Zkušební tělesa byla ozářena v průmyslových podmínkách (v normální atmosféře a za pokojové teploty) na komerčně dostupném ozařovacím zařízení a v širším rozsahu dávek záření než odpovídají zkušenostem z praxe. V diskuzi výsledků a závěru práce jsou naměřené výsledky vyhodnoceny a z aplikovaných dávek záření byla vybrána nejvhodnější varianta pro ozařování, při které došlo k největším změnám pozorovaných vlastností. Dosažené výsledky práce nezamítly vliv dávek ionizačního záření na zkoumané mechanické vlastnosti. Největší patrný rozdíl hodnot změn na zkoumané mechanické vlastnosti je možné pozorovat zejména pří porovnání ozářených a neozářených zkušebních těles. Výsledky výzkumu prokázaly výraznější vliv zvyšujících se dávek záření na změnu modulu pružnosti oproti mezi pevnosti v tahu. U poměrného prodloužení při mezi pevnosti v tahu se projevil vliv záření pouze za zvýšené teploty, kde došlo k podstatnému rozdílu mezi neozářeným a ozářeným materiálem. Na změnu rázových vlastnosti měly zvyšující se dávky záření podstatný vliv. Zkoumané materiály vykázaly pozitivní zlepšení rázových vlastnosti pouze při nižších dávkách záření. Vyšší dávky záření vedly u většiny zkoumaných materiálů k výraznému zhoršení rázových vlastností, a to až pod hodnoty neozářených materiálů. Naměřené výsledky vytvářejí základ pro

Abstract:

detailnější studium dané problematiky a pro efektivnější způsob radiační modifikace požadovaných vlastností polyamidových výrobků v praxi. Nalezení hlubších korelačních závislostí bude vyžadovat mnohem vyšší stupeň opakovatelnosti při měřeních, což bude však podstatně finančně i časově náročnější.

Abstract:

Effect of ionizing radiation on polymers has been known since the 50th of the last century. The results showed besides the precise and effective method of radiation modification of final properties of polymer products, also the economic benefits of this technology. Some findings, however, remain for some materials still completely unexplained and each new piece of knowledge on the effects of ionizing radiation can contribute to a better understanding of the issue and can extend the field of new applications. Articles and technical literature cited in this doctoral thesis focus on the description of the effects of ionizing radiation on the properties of various investigated polymers, but unfortunately do not contain a lot of systematic information, or it can be difficult to obtain some corresponding comprehensive correlation between beta ionizing radiation and changes in morphology with the corresponding profile changes in mechanical properties of radiation crosslinked polyamides. The objective of this work is to describe the effect of different doses of ionizing beta radiation on changes of mechanical properties of commercially available types of cross-linkable polyamides from different producers with various fillers in order to cover the widest possible area of the market commercially used cross-linkable polyamides. The theoretical part of this thesis describes the effect of ionizing radiation on the polymers, the interaction of radiation in the form of crosslinking, through factors affecting and improving the process of crosslinking up to the possible negative effects in terms of degradation of irradiated polymers. The result of the study is the discovery that the radiation crosslinking is a result of recombination of migrating polymer radicals in the amorphous region. This type of radiation modification of polymers is quite complex process. Resulting effect is influenced by many possible factors that need to be considered and sometimes they need to be minimized. The experimental section of this thesis deals with a comparison of changes in the effects of doses of ionizing beta radiation on the tensile and impact properties of investigated specimens at different temperatures, commercially used types of cross-linkable polyamides from different material producer, with various level of filling. The measured data are supplemented with a quantity of formed gel content in the structure of the investigated polyamides and their thermal resistance. Selected mechanical properties were compared with non-irradiated material. Test specimens were irradiated under industrial conditions on a commercially used radiation facility and with wider range of radiation doses than the ranges that are commercially used on daily basis.In the discussion of the results and in conclusion of this work there are evaluated data of the measured results. From applied radiation doses were then selected the most suitable option for irradiation.The achieved results of this work, do not contradict the influence of doses of ionizing radiation on the investigated mechanical properties. The biggest noticeable difference of changes in the studied mechanical properties can be observed especially when comparing irradiated and non-irradiated specimens. The research results have shown significant impact of increasing doses of radiation on the change of the modulus compared to the tensile strength which was not influenced to a large extent. The elongation at break was influenced by the level of radiation only when tested at elevated temperatures, when there was a significant difference between only irradiated and non-irradiated materials. Radiation dose influenced impact properties greatly. All tested materials showed positive improvement of impact properties only at lower doses of radiation, while higher radiation doses results showed in most investigated materials a significant decrease of impact strength that was lower than the values of the non-irradiated material.

Keywords

Radiační síťování, modifikace polymerů, polyamidy, tahová zkouška, zkouška rázové houževnatosti, mechanické vlastnosti, ionizační záření.

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