Комплекс физико-химических свойств характеризует взаимодействие пластмасс с агрессивными газами или жидкостями, а также процессы переноса через материал жидкостей, паров и газов, процессы тер-мо- и фотоокисления.
Стойкость к агрессивным средам определяется сохранением заданного комплекса эксплуатационных свойств материала при воздействии жидкой или газообразной среды. Она зависит в значительной степени от природы полимера, содержания низкомолекулярных примесей и добавок, входящих в рецептуру пластмассы, а также от условий взаимодействия с агрессивной средой (температура, давление, механические нагрузки и т.д.).
Воздействие агрессивной среды на полимер может приводить к изменению его структуры и свойств без нарушения целостности материала или сопровождаться его разрушением. Механизм разрушения, характер и степень влияния среды зависят от напряженного состояния материала тары. Среда обычно ускоряет действие напряжения. Напряжение в свою очередь оказывает влияние на действие среды, затрудняя ее диффузию в полимер. Результат одновременного влияния агрессивных сред и механических напряжений зависит от характера действия каждого из этих факторов.
|
|
По характеру воздействия на полимер агрессивные среды разделяют на две группы — физически и химически активные [31].
Физически активные среды вызывают обратимые изменения полимера, не сопровождающиеся разрушением химических связей. Примерами воздействия физически активных сред являются процессы набухания и растворения. Интенсивность воздействия зависит от сходства структуры среды (например, растворителя) и полимера.
Химически активные среды вызывают необратимые изменения химической структуры полимера. Интенсивность химического воздействия определяется реакционной способностью среды и полимера. Кар-боцепные полимеры, как правило, стойки к полярным агрессивным средам. Гетероцепные полимеры сравнительно легко разрушаются под действием кислот, щелочей, горячей воды.
Конструирование тары из пластмасс 217
Некоторые среды могут быть одновременно и физически, и химически активными. К таким средам относятся поверхностно-активные вещества (ПАВ). Они оказывают специфическое воздействие на полимеры — снижают их прочность под влиянием адсорбционного воздействия (так называемый эффект Ребиндера).
Происходящие в полимере физико-химические изменения под воздействием агрессивных сред принято называть процессом хемодест-рукции [100]. Скорость хемодеструкции определяется скоростью распада химически нестойких связей полимера под влиянием молекул агрессивной среды. Химически нестойкими могут быть связи в основных и боковых цепях, а также в концевых группах. В зависимости от соотношения скоростей диффузии агрессивных веществ в полимер и распада химических связей можно выделить три различных режима процесса хемодеструкции.
|
|
1. Скорость диффузии значительно превышает скорость распада химических связей. В этом случает после набухания полимера в агрессивной среде деструкция происходит во всем его объеме с определенной скоростью. Такой режим хемодеструкции называют кинетическим.
2. Скорость распада химических связей значительно превышает скорость диффузии. Деструкция происходит в тонком поверхностном слое полимера. Зона хемодеструкции медленно (со скоростью диффузии) перемещается внутрь материала. Такой режим хемодеструкции называют диффузионным.
3. Скорость диффузии соизмерима со скоростью распада химических связей. Процесс хемодеструкции протекает в некоторой реакционной зоне, размеры которой увеличиваются во времени и в пределе достигают размеров всего полимерного материала.
В общем случае кинетика процесса хемодеструкции может быть выражена системой диффузионно-кинетических уравнений.
Стойкость к агрессивным средам оценивают по изменению внешнего вида и массы стандартных образцов после пребывания их в заданной среде при регламентированных условиях. Численно стойкость к агрессивным средам можно характеризовать изменением свойств полимеров в результате воздействия среды или такими показателями, как проницаемость, набухание, время до появления трещин и др. [31].
Следует иметь в виду, что эти данные определялись по привесу при набухании ненагруженных образцов, погруженных в агрессивную среду. Между тем в реальных условиях эксплуатации конструкции тары находятся под воздействием различных видов нагружения. Их напряженное состояние определяется особенностями конструкции тары, весом, температурой затаренной продукции, внешними нагрузками и дру-
218__________________________________________________ Глава 7
гими факторами. Поэтому рекомендуемые данные являются ориентировочными и должны уточняться экспериментально применительно к конкретным условиям пользования.
На стойкость к агрессивным средам существенное влияние оказывает проницаемость полимеров. Она зависит от физического состояния материала, степени кристалличности, плотности упаковки, степени ориентации, наличия и типа пространственных связей, свойств и количества наполнителей, различных добавок и т.п. [67].
Проницаемостью принято называть способность материалов пропускать жидкости, пары или газы под воздействием градиентов давления или температуры [67,100]. Наиболее развиты представления о двух механизмах проницаемости полимеров — фазовом и активированной диффузии.
Фазовый механизм проницаемости объясняет прохождение молекул проникающих веществ через материал без изменения его фазового состояния через имеющиеся в нем поры, капилляры, микротрещины, размеры которых сопоставимы с размерами молекул проникающего вещества.
При активированном механизме диффузии молекулы жидкости, пара или газа сорбируются на одной стороне материала, диффундируют через его толщу и десорбируются с другой стороны.
Влагопроницаемость или водопроницаемость характеризуют коэффициентом влагопроницаемости, который определяют массой паров воды, прошедшей в единицу времени через единицу площади в единицу толщины материала при единичном градиенте концентрации или давления. Коэффициент влагопроницаемости обычно выражают в кг/(м-с-н/ м2) или в гДсмсмм рт.ст.):
1 гДсмс-мм рт.ст.) - 208-Ю'9 кг/(м-с-н/м2).
Газопроницаемость оценивают коэффициентом газопроницаемости, который численно равен объему газа при нормальных условиях, прошедшего в единицу времени через единицу площади в единицу толщины материала при единичной разности давлений газа. Измеряют коэффициент газопроницаемости в м2/(с-н/м2) или в см2/(с-кгс/см2):
|
|
1 см2/(с-кгс/см2) = 10-9м2/(с-н/м2).
Объем газа 0, прошедшего при стационарном потоке через полимерный материал толщиной Ах и площадью 5 за время I при перепаде давлений по обе стороны материала АР, можно определить по формуле
а~р~з-*> (7.16)
где Р — коэффициент газопроницаемости.
Влаго- и газопроницаемость — важные характеристики, определяющие возможность использования пластмасс в конкретной конструкции
Конструирование тары из пластмасс 219
упаковки. Для упаковки продуктов питания большое значение имеет значение коэффициентов влагопроницаемости и газопроницаемости по отношению к кислороду 02, азоту Л^, водороду #2 и углекислому газу С02. Их значения для основных полимеров, применяемых в производстве тары, приведены в табл. 7.4.
Таблица 7.4
Значения коэффициентов влаго- и газопроницаемости основных термопластичных полимеров, применяемых в производстве тары
[67,75,76,100]
Полимер | Коэффициент газопроницаемости при 20°С РЛ& см2/(с-кгс/см2) для различных газов | Коэффициент влагопроницаемости иЧО8 гДсмсмм рт.ст) | |||
ы2 | °2 | н2 | С02 | ||
Полиэтилен: | ------------------------- | ||||
- низкой плотности | 1,05 | 2,60 | 5,70 | 12,20 | 0,2-0,4 |
- высокой плотности | 0,06 | 0,19 | 0,50 | 0,73 | 0,06-0,20 |
Полипропилен | 0,22 | 0,87 | 4,10 | 3,00 | 0,03-0,10 |
Поливинилхлорид | 0,006 | 0,034 | — | 0,10 | 1,3 |
Полистирол | 0,30 | 1,30 | 6,70 | 5,90 | 2-4 |
Полиметилметакрилат | 3-4 | ||||
Полиамид 6 | 0,008 | 0,02 | 0,70 | 0,044 | 4-8 |
Полиамид 6,6 | |||||
Полиэтил с нтерсфталат | 0,005 | 0,024 | 0,48 | 0,14 | 2-5 |
Полиформальдегид | |||||
Политрифторхлорэтилсн | 0,003 | 0,008 | 0,74 | 0,53 | 0,006-0,15 |
Пол итстрафгорэти лен | 0,01-0,04 |
По известному значению коэффициента проницаемости Рс помощью уравнения (7.16) можно определить скорость прохождения заданного газа в широком диапазоне толщин или рассчитать толщину стенок тары, необходимую для обеспечения заданной скорости проникновения газа.
|
|
Процессы термо- и фотоокисления приводят к деструкции полимеров в результате одновременного воздействия тепла и кислорода в первом случае и света и кислорода — во втором. Эти процессы вызывают старение полимеров, которое проявляется в растрескивании поверхности, изменении окраски, исчезновении блеска, ухудшении механических, электрических и других свойств.
220 _________________________________________________ Глава 7
Процессы термо- и фотоокисления являются определяющими для многих видов старения. При выборе материалов для производства тары и упаковки необходимо учитывать их стойкость к основным видам старения, сопровождающим все этапы жизненного цикла упаковки.