Sveučilište u Zagrebu Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije · Mastikacija - intenzivna...
Transcript of Sveučilište u Zagrebu Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije · Mastikacija - intenzivna...
Doc. dr. sc. Ljerka Kratofil Krehula [email protected]
Sveučilište u Zagrebu Fakultet kemijskog inženjerstva i
tehnologije
Ozonizacija polimernih materijala
Prvi simptom razgradnje:
pojava mikronapuklina na površini materijala
- okomito na smjer naprezanja
ozonske napukline (engl. ozone cracking)
Ozonizacija nije autokatalitički proces
reakcija se zaustavlja čim se prekine dovod ozona
odvija se samo na površini polimera
različit mehanizam od procesa oksidacije
Konc. ozona u zraku je oko 0,01 mg kg-1, u onečišćenom zraku i
do sto puta veća
najpodložniji su nezasićeni polimeri, zasićeni su podložni
ozonizaciji 104-106 puta manje
već i niska konc. ozona u zraku zahtijeva antiozonsku stabilizaciju
dienskih kaučuka (u gumama) da zadrže zadovoljavajuću kakvoću
tijekom uporabe
O3
O3
CH CH
O
O O
R,
R CHORH2O
+ OCH R,+ H2O2
O3
Ozonidi su vrlo reaktivni, lako reagiraju s vodom što uzrokuje cijepanje
osnovnog polimernog lanca uz nastajanje aldehida i ketona.
- sunčeva svjetlost nema katalitički efekt na reakciju ozonizacije
Zasićeni polimeri vrlo su otporni prema ozonu.
Mehanizam ozonizacije
izravna adicija ozona na dvostruku vezu, nastaje nestabilan
molozonid koji se pregrađuje u ozonid:
Ozonid + voda aldehid i keton
R CH CH R O O
O
, +
- +
+
-
,
O O
O
R CH CH R
Polimer ozon molozonid
Djelovanje ozona na prirodni kaučuk poliizopren
- stvaraju se primarni ozonidi koji zatim stvaraju karbonilne
spojeve koji naglo smanjuju molekulsku masu polimera:
-CH2 CH2- -CH2 CH2-
\ / \ /
C=C + O3 C=O + O=C + ½ O2
/ \ / \
CH3 H CH3 H
stvaraju se mehaničke mikropukotine i druga oštećenja materijala koja slabe mehanička svojstva
Antiozonanti:
- derivati kinolina, furana
- dodatak kristaličnih voskova moguće je spriječiti utjecaj ozona
(migriraju na površinu proizvoda stvarajući zaštitni film)
Fotokemijska razgradnja - razgradnja pod utjecajem svjetlosti,
tj. elektromagnetskog zračenja
Ultraljubičasto UV svjetlo – valna duljina 10-400 nm
Vidljivo svjetlo - valne duljine 400-750 nm
za cijepanje primarnih kovalentnih veza u polimernom lancu,
primjerice C-C, C-H, C-Cl veza - energija ultraljubičastog zračenja
(UV).
Primjerice:
energija C-C veze je oko 330 kJ/mol što odgovara UV
zračenju valne duljine 360nm.
Fotokemijska i fotooksidacijska razgradnja
Da bi došlo do inicijacije fotokemijske razgradnje, molekula mora apsorbirati
svjetlosnu energiju što znači da u molekuli moraju postojati kemijske strukture
koje apsorbiraju svjetlo u tom području elektromagnetskog spektra – npr. pigmenti
Stupanj razgradnje ovisi o intenzitetu upadne svjetlosti,
tj. o broju apsorbiranih fotona po jediničnom volumenu u
jediničnom vremenu.
Posljedice fotokemijske razgradnje su:
promjena boje materijala
nastajanje mikronapuklina na površini,
slabljenje mehaničkih, kemijskih, fizikalnih,
električnih i ostalih svojstava
Fotokemijska i fotooksidacijska razgradnja
Primjer – polimer koji sadrži karbonilne skupine i dvostruke
veze:
R CHR,
+,
O
RCH2R C CH2 CH2
UVC CH3
O
CH2
Podložni su mnogi konstrukcijski polimeri koji sadrže CO skupine:
poliesteri
poliuretani
poliamidi
kod PE i sličnih zasićenih polimera nema dvos. veza niti CO
skupina, ali:
- prisutne nečistoće apsorbiraju svjetlo i tako iniciraju razgradnju
Fotokemijska i fotooksidacijska razgradnja
Fotokemijska reakcija u prisustvu kisika - fotooksidacija
Čak i polimeri koji su vrlo otporni na utjecaj kisika, vrlo lako
podliježu reakcijama fotooksidacije.
Kad reakcija krene, jako se ubrzava.
Primjerice:
polistiren, (najotporniji polimer na kisik)
- fotorazgrađuje se zračenjem od 254 nm
- kod fotooksidacije - pri 350 nm.
Karakteristično da se razgradnja prvenstveno odvija na površini
materijala (masa materijala može ostati u potpunosti neoštećena)
Fotokemijska i fotooksidacijska razgradnja
Inicijacija započinje apsorpcijom svjetla koje uzrokuje
fotokemijsku razgradnju.
Propagacija se odvija mehanizmom slobodnih radikala.
Slobodni radikali nastali fotorazgradnjom reagiraju s O2, nastaju
peroksidi i hidroperoksidi koji se dalje razgrađuju do karbonilnih i
hidroksilnih skupina, vode i CO2.
Primjer fotooksidacijske razgradnje polistirena:
Fotokemijska i fotooksidacijska razgradnja
C C C
H H H
H H
h
HH
H
H
H
CCC +O2
+C C C
H H
H HHH
HH
CCC
O
OH
HC CH2
nOO
C C C
H H
H H
OO
H
HH
HH
CCC OH + C C C
H H
H H
O
C C C
H
H
H
HO
+ H2O
H H
H
CC+
polistiren radikal polistirena
C C C
H H H
H H
h
HH
H
H
H
CCC +O2
+C C C
H H
H HHH
HH
CCC
O
OH
HC CH2
nOO
C C C
H H
H H
OO
H
HH
HH
CCC OH + C C C
H H
H H
O
C C C
H
H
H
HO
+ H2O
H H
H
CC+
C C C
H H H
H H
h
HH
H
H
H
CCC +O2
+C C C
H H
H HHH
HH
CCC
O
OH
HC CH2
nOO
C C C
H H
H H
OO
H
HH
HH
CCC OH + C C C
H H
H H
O
C C C
H
H
H
HO
+ H2O
H H
H
CC+
Fotokemijska i fotooksidacijska razgradnja
polistirenski peroksi radikal polistirenski hidroperoksi radikal
hidroksi skupine
voda
Ionizacijska razgradnja
X, γ
Zračenje gama- ili X-zrakama (elektromagnetsko zračenje visokih
energija, tj. zračenje valnih duljina kraćih od ultraljubičastog) i čestično
zračenje (alfa i beta čestice, elektroni, neutroni) izazivaju ionizaciju
izbacivanjem elektrona iz nekih molekula čvrste tvari te posredno
ili neposredno prevode te molekule u visokoenergijsko ili ekscitirano
stanje.
uzroku kemijske promjene na polim. materijalima – degradaciju
važno za primjenu polimera
u radioaktivnom ozračju
u nuklearnim reaktorima ili
u svemirskoj tehnologiji
X, γ
Ekscitirane molekule predaju svoju energiju susjednim
molekulama kao toplinu ili emitiraju fotone koji se
lokaliziraju na određenu kemijsku vezu i
dolazi do njezina cijepanja – radiolizom
Primjer;
odvajanje H-atoma iz molekule PE:
-nastajanje dvostruke veze (nezasićeni polimer) ili
-dolazi do umreženja PE
Ionizacijska razgradnja
PE polimer nastajanje = veze
CH 2 CH 2 zračenje CH CH + H 2
H+CHCH2
CH2 CH + H
CH
CH+ H2
Umreženjem se:
povećava molekulska masa polimera
povećava sadržaj netopljivog gela
mijenjaju mehanička svojstva
poboljšava toplinska stabilnost materijala.
- Nastajanje umreženja iz PE:
X, γ
Ionizacijska razgradnja
Kontrolirano nastajanje makroradikala i njihovo umreženje koristi se u proizvodnji
nekih polimernih materijala poboljšanih mehaničkih svojstava.
2 molekule PE radikali umreženje PE
CH3
CH CH2CH2
CH3
C + H
CH3
CH CH2CH2
CH3
C + H*
H3 CH3
CH CH2CH2
CH3
C + H
cijepanje veze u osnovnom lancu može dovesti do
smanjenjenja molekulske mase i nastajanja dvostrukih veza
Ionizacijska razgradnja
komercijalno se koristi za dobivanje umreženih materijala.
omogućuje umrežavanje nakon oblikovanja materijala.
materijal je veće toplinske postojanosti - manje puzanje materijala.
Primjerice, proizveden je umreženi PE film stabilan do 200 °C.
Pretpostavlja se da se umreženje odvija samo u amorfnoj fazi. X, γ
Ionizacijska razgradnja
PP polimer radikal PP nastajanje = veze
zračenje
.
Kemijska razgradnja
SO2 NO2
SO2 NO2
Polimerni materijali podložni su djelovanju brojnih kemikalija (agensa):
organskih otapala
kiselina, lužina
plinova
Najvažniji agensi kemijske razgradnje su onečišćavala u okolišu:
- plinovi SO2 i NO2
- aerosoli i kisele kiše
To dovodi do
nepovratnih kemijskih promjena – degradacija
modifikacije polimera
fizičkog utjecaja otapala na polimer
(lanci ostaju nepromijenjeni pa se polimer može obnoviti
isparavanjem otapala).
Djelovanje ovisi o:
kemijskoj strukturi polimera
izrazito štetno djelovanje na polimere imaju vrlo reaktivni
SO2 i NO2 - napadaju lako reaktivna mjesta u molekuli polimera (dvostruka veza, terc. C-atom).
interakcijom SO2 i NO2 s kisikom pod utjecajem UV zračenja
-stvara se ozon ili
- u prisutnosti vlage nastaju kiseline (agresivna atmosfera).
Njihov mehanizam reakcije kompleksan je i dovodi do cijepanja lanaca,
umreženja i ugradnje SO2 i NO2 skupina u polimernu molekulu.
SO2 NO2
Kemijska razgradnja
Sulfoniranje polistirena (PS)
Poželjno djelovanje kemikalija
-kloriranjem PE-a, PVC-a ili prirodnog kaučuka, kao i
sulfoniranjem PS-a, dobiju se komercijalni polimerni materijali:
SO2 NO2
CH 2 CH
H 2 SO 4
CH CH 2
SO 2 OH
-H2O
Kemijska razgradnja
Mehaničku razgradnju uzrokuju mehanička naprezanja
(nastaje mehanička energija) tijekom prerade ili uporabe polimera.
Uzrokuju se promjene:
u nadmolekulskoj strukturi
pucanje kemijskih veza u makromolekuli
nastajanje novih struktura
promjena mehaničkih svojstava
Mehanička razgradnja
Posljedice mehaničke razgradnje su:
-smanjenje kristalnosti,
-promjena topljivosti,
-snižavanje raspodjele molekulskih masa (znatno se mijenja svojstvo tečenja),
-razaranje umreženosti i
-smanjenje čvrstoće
Promjene izazvane mehanokemijskim reakcijama:
nepovratne reakcije
ostvaruju se mehanizmom slobodnih radikala.
Nastali radikali na osnovnom lancu:
mogu se rekombinirati smanjujući ukupan efekt razgradnog procesa
ili
mogu reagirati s akceptorima radikala, kao što je kisik
uzrokujući ubrzanje razgradnje
Mehanička razgradnja
Namjerna mehanička degradacija:
smanjenje molekulske mase koje olakšava preradljivost
materijala -cilj je izazvane mehaničke razgradnje koja se
provodi kao jedna od faza u procesu proizvodnje gume, tzv.
mastikacija kaučuka.
Mastikacija - intenzivna mehanička obrada uz istodobno zagrijavanje.
Kaučuk (polimer velike molekulske mase) pri tome se razgrađuje.
Dugačke lančane molekule cijepaju se i molekulska se masa smanjuje.
Da bi se taj proces mogao provesti, potrebni su katalizatori - kemijska sredstva za plastificiranje koji ubrzavaju mastikaciju samo uz prisutnost kisika (sumporni spojevi: najčešće tiofenoli)
Mehanička razgradnja
Starenje
Atmosfersko starenje (eng weathering) razgradnja je u prirodnom
ozračju (sunčevo zračenje, toplina, kisik, ozon) u uvjetima u kojima
se istovremeno odvijaju termooksidacija i fotooksidacija.
Dodatno još djeluju:
voda (rosa, vlaga, kiša),
abrazija (vjetar) i - izaziva se starenje polimera
(eng. ageing)
atmosfersko onečišćenje
Intenzitet atmosferskog starenja ovisi o mikroklimatskim
uvjetima regije (određuje vremenski interval trajanju starenja), a prati
se određivanjem savojne žilavosti.
Reakcije oksidacije
-zahvaljujući sporoj difuziji kisika u polimer, ograničene na gornji
sloj debljine 200 mm,
-dolazi do su slabljenja van der Waalsovih sila u makromolekulama i
do promjene volumena.
Posljedice su:
hrapavost površine, gubitak sjaja i eventualna pojavom obojenosti
materijala, smanjuje se otpornost na lom, slabljenje mehaničkih i
svih ostalih svojstava.
kiša odstranjuje oštećeni površinski sloj i izlaže neoštećeni sloj materijala
atmosferskom starenju čime se ubrzava razgradnja.
materijal postaje krhak, puca, lomi se u sitnije dijelove.
na taj način stareni materijal postaje dio tla.
biorazgradljivi polimeri bit će izloženi djelovanju mikroorganizama
Starenje
Biorazgradljivi polimeri razlažu se
- do CO2, H2O + biomasa – aerobni uvjeti
- do CO2, CH4, H2S, H2O + biomasa – anaerobni uvjeti
Biorazgradnja ili biološka razgradnja
proces tijekom kojeg se organske tvari razlažu uz pomoć
mikroorganizama i njihova enzimskog djelovanja pri
čemu im se bitno mijenja kemijska struktura.
Produkti razgradnje:
ugljični dioksid, biomasa i voda ili metan
- u prisutnosti kisika: aerobna razgradnja
- u odsutnosti kisika: anaerobna razgradnja
Biorazgradnja
Biorazgradnja
Biorazgradljivi polimeri polimeri su koji se razgrađuju u biološkoj
okolini: tlu, moru, vodi (rijeke, jezera), ljudskom ili životinjskom
tijelu enzimskom ili neenzimskom razgradnjom
Biorazgradnja - razgradnja izazvana samo enzimskim djelovanjem
mikroorganizama, gljivica ili bakterija
Resorbiranje - neenzimska razgradnja nekih polimera, npr.
poliestera (npr. polilaktida) koji se vrlo brzo hidroliziraju u tijelu
Biodegradacija - značajna sa stajališta zaštite okoliša te zbrinjavanja polimernih materijala –kompostiranjem
Uz dovoljno vremena, svaki biorazgradiljvi materijal postat će kompost.
Brzina biorazgradnje ovisi o:
okolišu (temp., prisutnost kisika, vlage) i
svojstvima polimernog materijala (struktura, morfologija,
kristalnost, topljivost i molekulska masa).
Djelovanje enzima ovisi o:
mogućnosti prodiranja u strukturu polimera i
iniciranju biokemijske reakcije s
kemijski lako reaktivnim skupinama u molekuli polimera.
Biorazgradnja pomoću mikroorganizama odvija se postupno
- ukoliko se razgradi 60-90% polimera tijekom 60 do 180 dana
biorazgradljiv polimer
Biorazgradnja
Sintetski polimeri – u većini slučajeva otporni su na djelovanje
mikroorganizama
C-C veze u strukturi poliplasta nisu podložne enzimskom cijepanju.
poliplasti s C-O i C-N vezama podložni su djelovanju enzima
hidrolaze u tlu i vodi.
Biorazgradljivi sintetski polimeri :
1. Polimeri s funkcionalnim skupinama u osnovnom lancu: - alifatski poliesteri (polikaprolakton – PCL)
- poliuretani
2. Polimeri topljivi u vodi: - poli(vinil-alkohol),
- poli(etilen-oksid),
- poli(akril-amid) te polimeri s
- poliakrilnom ili poliestersulfonskom kiselinom.
Imaju ograničenu primjenu – upotrebljavaju se kao komponente u
deterdžentima, vodotopljivim premazima i sl.
Biorazgradnja
Izazvana razgradnja - sintetskih polimera
( da bi se nakon uporabnog vijeka razgradili u okolišu) :
1. uvođenjem biorazgradljivih aditiva:
najčešće škrob
glukoza, ali i neki drugi ugljikohidrati
Udio škroba može biti do 80%. Primjer: komercijalna proizvodnja PE punjenog škrobom
- nije upotpunosti biorazgradljiv.
2. modifikacijom osnovne strukture polimera
kopolimerizacijom s biorazgradljivim monomerom
Biorazgradnja
Nepoželjan proces:
Kod upotrebe:
predmeti opće namjene
konstrukcijski materijali
ambalaža za pakiranje hrane i dr.
Biorazgradnja
Poželjan proces:
- nakon upotrebe proizvoda i njegovog
odlaganja