1 Катедра по химия, Университет на Обединените арабски емирства, P.O. Кутия 15551, Ал Айн, ОАЕ

поливинилхлоридни

Резюме

1. Въведение

Полимерите се характеризират с лекотата на производство, модификация и функционализация в сравнение с други класове материали. Също така е смесен с други класове материали, за да се получат композити, които осигуряват комбинираните предимства на компонентите на тези композити за широк спектър от приложения [1, 2]. Структурните модификации на полимерите разширяват тези приложения и преодоляват всички възможни недостатъци, които един полимер може да има. Модификациите най-често се правят в структурата и молекулното тегло на полимера, както и чрез използване на съполимери, които ще осигурят съвместни свойства на съполимерните съставки.

Допълнителен метод за модификация на полимера е чрез смесване; се използва процедура, която включва смесване на основния полимер в интерес с други компоненти, за да се получи композитна смес или смес, с подобрени свойства [3]. Смесването на полимерите става все по-важно в различни приложения за подобряване на свойствата, подобряване на обработката или намаляване на производствените разходи [4]. Смесването може също да включва добавяне на различен клас материали към полимерите, като например процеса на изработване на глинесто-полимерни нанокомпозити [5–7]. Смесването на полимерите се постига и чрез смесване на два или повече различни полимера в течната фаза [8]. Смесването на полимери от различни класове може да доведе до смесване и несмесване на смеси поради явлението фазово разделяне [9]. Смесваемостта на полимерната смес се оценява чрез вискометрия, която също така предоставя информация за взаимодействията на полимерите помежду си чрез смесване [10, 11].

Едно от екологичните приложения на влакната, направени от полимери и смеси, е в пречистването на разлятото масло и отделянето му от водната среда [22]. В това отношение са изследвани влакнести сорбенти от естествен [23–33] и синтетичен [34–38] произход; диапазоните им на сорбционен капацитет обаче бяха ограничени. Електроспин влакна от полистирол в μМащабът m/nm, като потенциален хидрофобен синтетичен полимер за приложения на сорбцията на масло, са широко проучени [39–41]. Изследван е потенциалът на нанопорестите PS микрофибри за почистване на моторни, боб и слънчогледови семена. Максималният капацитет на сорбция на тези масла обаче е в диапазона 20–110 g/g, за които се твърди, че са 3-4 пъти по-високи от тези на комерсиализираните полипропиленови влакна [40]. Нашите предишни резултати показаха по-висок афинитет на PS микрофиброзни сорбенти към различни видове разливи на суров нефт, достигайки 217 g/g [41]. Нашите експерименти показаха зависимостта на сорбцията на маслото от физическите характеристики на суровия нефт, като плътност и вискозитет, както и свойствата на влакнестите сорбенти и взаимосвързаността на тяхната порьозност [41].

В допълнение към приложението на влакнести сорбенти, направени от хомополимери, смеси и смеси от различни полимери също са изследвани като потенциални сорбенти за разлив на масло [42, 43]. Показани са обещаващи резултати за смесване на PS с PVC [44]. Използването на концентрации на PS като втори полимер в разтвор на допинг PVC повишава химичните и физичните свойства на полимера [44]. Според нашето скорошно изследване електроспинирането на PS и PVC повишава сорбционните способности на полимера благодарение на повишаването на еластичните свойства на чистия PVC [44]. Подобни открития бяха получени, когато PS беше смесен с PU [45]. В скорошно проучване капацитетът за сорбция на влакна от поливинилхлорид (PVC)/полистирол (PS) е оценен за ефективността им при абсорбиране на моторно масло, фъстъчено масло, дизел и етилен гликол. Резултатите показват по-висок сорбционен капацитет от търговските полипропиленови (РР) сорбенти с отлична селективност масло/вода [45].

Чрез процеса на смесване се приема, че взаимодействията полимер-полимер доминират взаимодействията полимер-разтворител. В случай на привличане между полимерите, двукомпонентните молекули на макромолекулните намотки могат да набъбнат, като по този начин се увеличи вискозитетът поради увеличаването на хидродинамичния обем [10]. От друга страна, ако настъпи отблъскване, може да настъпи свиване на макромолекулните намотки, което води до намаляване на вискозитета поради намаляването на хидродинамичния обем [10]. Оценяван е ефектът от междуфазното напрежение, съотношенията на вискозитета и разтворимостта върху нановолокна със смеси PB/PC, PMMA/PC и PS/PC, където се стигна до заключението, че разликите в разтворимостта на полимерните компоненти в електропредителния разтворител играят ключова роля в получената фазова структура на нановолокната [46]. По-големите различия в разтворимостта доведоха до образуването на структурите на обвивката на сърцевината, докато по-малките разлики в разтворимостта на компонентите на смесите доведоха до образуването на непрекъснати структури.

Настоящата работа изследва ефекта от смесването на полиетилен с ниска плътност (PE) и поли (винилхлорид) (PVC) с матрица от полистирол (PS) върху характеристиките на приготвените влакнести сорбенти, след което се използва електроспининг техника. Оптимално приготвените сорбенти от смеси PS-PE и PS-PVC бяха допълнително оценени за техния афинитет към отстраняване на суров нефт, моторно масло и дизелови разливи от симулирана среда с морска вода. Резултатите бяха корелирани и сравнени с тези от наличния в търговската мрежа влакнест бум. Целта на тези експерименти е да се сравни ефективността на сорбцията на полимерните смеси с тази на чистите полимери, както и сравняването на формулировките на смесите с най-висок сорбционен капацитет с сорбционните характеристики на предлагания в търговската мрежа влакнест сорбент. Това е част от нашите текущи усилия за производство на влакнести сорбенти с висока площ с по-висока ефективност на сорбцията на масло от предлаганите в търговската мрежа продукти.

2. Материали и методи

Полистирол (PS, Мw = 350 000 чрез GPC), поли (винилхлорид) (PVC, Мw = 4800 чрез GPC) и полиетилен (PE, Мw = 4000 от GPC) са закупени от Sigma-Aldrich, САЩ. N, N-диметилформамид (DMF), 99,8%, също е закупен от Sigma-Aldrich, САЩ. Суровият петрол е получен ОБЩО, Абу Даби, ОАЕ. Вискозитетът на получения суров нефт се измерва като 7.0 cP. Използвано моторно масло с вискозитет 244,4 cP и дизелово гориво с вискозитет 5,8 cP са получени от местната бензиностанция в ОАЕ и също са оценени за способността им за сорбция върху изследваните влакнести сорбенти. Измерванията на вискозитета се извършват с помощта на вискозиметър на Brookfield, САЩ при 50 rpm.

Смеси от PVC и PE с PS, съдържащи 5, 10 и 20 тегл.% От всеки от полимерите в PS се приготвят чрез смесване на съответното количество от всеки от полимерите с PS в DMF за 24 часа, докато се получи напълно хомогенен разтвор . Вискозитетът на получените смеси PS-PE и PS-PVC се измерва като функция от концентрацията на PVC и PE с помощта на вискозиметър на Brookfield (LV DV-II + Pro EXTRA) от Spindle-S34 при 50 и 100 оборота в минута.

Смеси от PS-PE и PS-PVC бяха електроспинирани в микрофиброзни сорбенти, използвайки електропресоване (Spraybase, Ирландия). Постоянен обем от 10 ml от всяка смес в пластмасова спринцовка (MicroTouch спринцовка, САЩ), свързана с метален 18 G имитен излъчвател, се електроизлъчва във влакна при постоянно напрежение 25 kV и фиксиран дебит 10 ml/h, които са зададени от софтуера Syringe Pump Pro. Разстоянието между излъчвателя и металния колектор се поддържа постоянно на 15 cm. Процесът на електропредене се провежда в невлажна атмосфера при стайна температура. Електроспинните влакна се събират върху лист алуминиево фолио и се оставят до пълно изсъхване, преди да се проучат техните структурни и морфологични характеристики. За разлика от това, влакнестите сорбенти, изработени от чистия PS полимер, са произведени, използвайки същия набор от условия за електропредене. Освен това се опитва електроспиниране на чисти полиетиленови и PVC полимери.

Оценката на състава на електроспиновите влакнести сорбенти се извършва с помощта на инфрачервен спектрометър с преобразуване на Фурие (FT-IR) (IRPrestige-21, SHIMADZU) в режим на предаване и темогравиметричен анализатор, SHEMADZU (TGA-50). Всички проби се нагряват от 0 до 600 ° С със скорост на нагряване 10 ° С/мин. Фиброзните сорбенти също се характеризират с тяхната BET повърхност, порьозност и разпределение на размера на порите, като се използва N2-адсорбционен инструмент (TriStar II PLUS, Micrometrics, САЩ). Морфологията на влакнестите сорбенти беше оценена с помощта на сканиращ електронен микроскоп (SEM) след златно покритие. Измерванията на контактния ъгъл на всички влакнести сорбенти бяха измерени чрез система за воден контакт-ъгъл (DM-301, Kyowa Interface Science Co) при 25 ° C.

Влакнестите сорбенти, получени чрез електроспининг при различни условия на приготвяне, бяха оценени за тяхната ефективност при сорбцията на общите разливи на суров нефт от симулирани среди с морска вода, следвайки установена процедура ASTM F726 [47]. Както при конвенционален сорбционен експеримент, 10 ml суров нефт се излива в бехерова чаша, съдържаща 100 ml изкуствена морска вода (35% NaCl). Въз основа на предишните ни открития, постоянно тегло на всеки от сорбента, 0,1 g, беше равномерно поставено върху повърхността на маслото и оставено да плава свободно. След различни интервали от време на контакт до 15 минути, съдържащите масло сорбенти се отстраняват, оставят се да капят в продължение на 30 секунди и се претеглят, за да се оцени техният капацитет на усвояване (в g/g), като се използва следното уравнение [48]. За да се постигне равновесие на поглъщане, времето за контакт беше допълнително удължено до 30 минути:

където Въпрос: е капацитетът за поглъщане на масло (g/g), мo е общата маса на сорбенти след изтичане на маслото, и мс е масата на сухия сорбент. Резултатите се изразяват като средна стойност на трикратни показания.

3. Резултати и дискусии

3.1. Измервания на вискозитета

Напълно хомогенен PS разтвор в DMF, съдържащ 20 тегл.% PS, показва вискозитет от 175 cP, измерен при стайна температура. След добавянето на 5, 10 и 20 тегл.% PVC и PE към PS при стайна температура, беше показана забележителна промяна във вискозитета на получените смесени смеси, както е показано на Фигура 1 (а). Линейно увеличение на вискозитета на смесите от PVC-PS се наблюдава с увеличаване на дела на PVC в сместа, достигайки вискозитет от 550 cP с добавяне на 20 тегл.% От PVC. Ефектът от добавянето на PE към разтвора на PS върху вискозитета на получените смеси е по-слабо изразен. Тези констатации бяха подкрепени от вариацията в стрес-напрежението на получените смеси. В допълнение, визуалното наблюдение на двата вида смеси показва по-висока смесимост на PVC с PS в техния разтвор в DMF, докато по-малката смесимост на PE с PS в техния разтвор в DMF се отразява, тъй като твърдите частици от PE се суспендират в разтвор.


3.2. SEM измервания
3.3. Измервания на порьозност и повърхност

Всички влакнести сорбенти, получени от смеси от PE или PVC с PS чрез електроспининг, показват изотерма тип IV с подобна степен на адсорбция на N2, което показва подобна степен на взаимосвързаност на порите. Това беше придружено от намаляване на BET повърхността на смесените влакнести сорбенти, както е показано на Фигура 3 (в). Чист PS влакнест сорбент показва повърхност от 52,5 m 2/g, докато се наблюдава последователно намаляване на повърхността на влакнестия сорбент PS-PVC и PS-PE, показващ площ от 39,5 и 37,5 m 2/g, съответно. Може да се направи и корелация между повърхността на влакнестите смеси от PVC-PS и тези на влакнестите смеси от PS-PE със съответния им размер на влакната, където по-голямата повърхност на PS-PE влакната е свързана с по-малкия им размер на влакната и заместник обратно.

Присъствието на всяка от добавките (PVC и PE) във влакнестите сорбенти, произведени от съответните им смеси с PS, е потвърдено от FTIR и TGA анализи. FTIR спектрите на всички влакнести сорбенти показват доминирането на спектрите с лентите на PS матрицата. Наличието на PE и PVC се потвърждава от съответните им характерни ленти, както е обяснено на друго място [49, 50]. Не бяха открити излишни ленти и не бяха наблюдавани големи измествания на лентите на полистироловата матрица. Тези открития показват липсата на химическо взаимодействие между всеки от пълнителите и полистироловата матрица.

3.4. Термичен анализ

В присъствието на различни пропорции на PE в смесите на PS-PE, беше показана цялостна единична стръмна загуба на тегло с малки вариации в зависимост от дела на PE в оригиналната смес, както е показано на Фигура 4 (а). Освен това, всички смесени влакнести сорбенти достигат едно и също крайно плато при 420 ° C в резултат на пълното разграждане и разлагане на полимерните влакна. С добавянето на различни пропорции на PVC, от друга страна, влакнестите сорбенти, направени от смесите му с PS, показват забавена загуба на тегло със същото начало на чист PS около 290 ° C, както е показано на Фигура 4 (b). Отстраняването на HCl от PVC компонента на сместа е очевидно при смесите, съдържащи 10 и 20 тегл.% PVC. Напротив, разграждането на останалия полиен на PVC започна по-рано при 425 ° C от това на чистия PVC. По подобен начин пълното разлагане, което е показано от третото събитие, е започнало по-рано около 500 ° C.

3.5. Оценка на капацитета за поглъщане на масло