xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Μελέτη του Μηχανισµού Θερµικής ∆ιάσπασης του πολυ(τερεφθαλικού αιθυλενεστέρα)
(ΡΕΤ) Ενισχυµένου µε Νανοσωµατίδια SiO 2
Γ. Αντωνιάδης 1 , Κ. Χρυσάφης 1* , Κ. Μ. Παρασκευόπουλος 1 , A. Βασιλείου 2 και ∆. Μπικιάρης 2
1
Τµήµα Φυσικής, Τοµέας Φυσική Στερεάς Κατάστασης, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, GR 54124
Θεσσαλονίκη, Ελλάς
2
Τµήµα Χηµείας, Εργαστήριο Οργανικής Χηµικής Τεχνολογίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, GR 54124
Θεσσαλονίκη, Ελλάς.
*E-mail: hrisafis@physics.auth.gr
Εισαγωγή. Ο πολυ(τερεφθαλικός αιθυλενεστερας) [Poly(ethylene terephthalate) (PET)] χρησιµοποιείται ευρέως
σαν υλικό συσκευασίας για νερό, χυµούς και κυρίως για µη αλκοολούχα ανθρακούχα ποτά. Η πλήρωση των φιαλών µε τα
τελευταία απαιτεί υψηλή πίεση του CO 2 , µέχρι 0,4 MPa. Επειδή όµως τα τοιχώµατα του PET είναι διαπερατά από το CO 2
αυτό διαφεύγει µειώνοντας το χρόνο ζωής του προϊόντος. Η προσθήκη νανοσωµατιδίων συνήθως ενισχύει τις ιδιότητες
συγκράτησης αερίου µιας πολυµερούς µήτρας. Πρόσφατα αναφέρθηκε η προσθήκη SiO 2 σε PET καταλληλο για φιάλες
ανθρακούχων ποτών για την ενίσχυση των µηχανικών του ιδιοτήτων [1]. Στη βιβλιογραφία για την κινητική µελέτη της
θερµικής διάσπασης του ΡΕΤ παρουσιάζονται αρκετά διαφορετικές τιµές για την Ενέργεια Ενεργοποίησης που πιθανόν να
οφείλονται στη φύση των υλικών που µελετήθηκαν αλλά και στις διαφορετικές µεθόδους υπολογισµού [2-6]. Αντίστοιχη
ασάφεια εµφανίζεται και στη φύση των µηχανισµών που συνήθως χρησιµοποιούνται. Στη περίπτωση των νανοπρόσθετων µε
SiO 2 ελάχιστα στοιχεία για την κινητική µελέτη της διάσπασης υπάρχουν [7, 8]. Ο σκοπός αυτής της εργασίας είναι η µελέτη
της θερµικής σταθερότητας του ΡΕΤ µετά την προσθήκη νανοσωµατιδίων SiO 2 και η κινητική µελέτη των παραχθέντων
υλικών.
Πειραµατικό µέρος. Το PET παρασκευάσθηκε µε τη µέθοδο πολυσυµπύκνωσης τήγµατος δύο σταδίων. Σ’ αυτό
προστέθηκε, το SiO 2 σε συγκεντρώσεις 1, 2, 3, 4 και 5% w/w, σε αδρανή ατµόσφαιρα αργού (50mL/min), στους 280 ο C και
αναδεύτηκε για 20 min, προκειµένου να επιτευχθεί οµοιογενής διασπορά του SiO 2 στο τήγµα του PET. Όλα τα δείγµατα
πολυεστέρα, που είχαν λευκό χρώµα, αλέστηκαν σε µύλο άλεσης, πλύθηκαν µε τη µεθανόλη, και ξηράθηκαν στους 50 ο C για
24 ώρες σε φούρνο κενού. Οι µετρήσεις Θερµοβαρυµετρίας έγιναν µε ένα όργανο της εταιρίας SETARAM (Set-Sys TG-
DTA) από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος µέχρι τους 600 o C και ταχύτητες θέρµανσης 5, 10, 15 και 20 o C/min.
Αποτελέσµατα-Συζήτηση. Στο σχήµα 1 παρουσιάζονται οι µεταβολές της µάζας (%) και της παραγώγου της
µάζας του PET ως προς τη θερµοκρασία, µε ρυθµό θέρµανσης 10 o C/min. Στο σχήµα φαίνεται ότι το PET παρουσιάζει
αρκετά καλή θερµική σταθερότητα, αφού για ρυθµό θέρµανσης 10 ο C/min, µέχρι τους 350 ο C διασπάσθηκε περίπου το 1,2 %
της µάζας του δείγµατος. Μετά από αυτήν την θερµοκρασία αποσυντίθεται γρήγορα και χάνει περισσότερο από το 80 % της
αρχικής µάζας του κοντά στους 500 ο C. Από την κορυφή της πρώτης παραγώγου βρέθηκε ότι η θερµοκρασία στην οποία ο
ρυθµός αποσύνθεσης του PET γίνεται υψηλότερος, είναι η Τp=436,3 ο C (σχήµα 1). Η εισαγωγή του SiO 2 στο ΡΕΤ έχει σαν
αποτέλεσµα να αυξάνει το ποσοστό του υπολείµµατος στο βαθµό που το SiO 2 δεν διασπάται στη περιοχή αυτή των
θερµοκρασιών.
Μάζα (%)
100
80
60
40
20
300 400 500 600
Θερµοκρασία ( o C)
0,0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1,0
-1,2
Παράγωγος Μάζας
Ενέργεια Ενεργοποίησης (J/mol)
280
260
240
220
200
PET-Ozawa
PET-Friedman
PET/SiO 2 -Ozawa
PET/SiO 2 -Friedman
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Βαθµός Μετατροπής
Σχήµα 1. Μεταβολή της µάζας (%) και ρυθµός
µεταβολής της µάζας ως προς τη θερµοκρασία, µε ρυθµό
θέρµανσης β=10 0 C/min, για το PET.
Σχήµα 2. Εξάρτηση της ενέργειας ενεργοποίησης (E)
από το βαθµό µετατροπής (α)
Η ενέργεια ενεργοποίησης (Ε α ) υπολογίσθηκε µε τις ισοµετατροπικές µεθόδους O.F.W., Friedman καθώς και τη
µέθοδο Kissinger, σε πειραµατικά δεδοµένα που λήφθηκαν µε διαφορετικούς ρυθµούς θέρµανσης. Στο σχήµα 2 φαίνεται η
µεταβολή της Ε ως προς το ποσοστό αποικοδόµησης της µάζας (α) για το ΡΕΤ και για µια από τις στοιχειοµετρίες µε
179
1