Идентификация полимерных пленок

Общие сведения

Потребители и производители упаковочных материалов периодически сталкиваются с необходимостью распознавания природы полимерных пленок. Хорошо известно, что основные свойства полимеров определяются молекулярной структурой, поэтому для прогнозирования свойств полимерной структуры и ее идентификации достаточно знать, какие функциональные группы входят в состав макромолекул.

Молекулы целлюлозы, например, благодаря наличию гидроксильных групп (-ОН), тяготеют к молекулам воды. Это объясняет высокую гигроскопичность целлюлозных пленок и сильное изменение их свойств при увлажнении. В полиамидах содержится относительно небольшое число гидрофильных (амидных) групп, поэтому пленки из них поглощают значительно меньше влаги. Полиэтилентерефталат (лавсан), полиэтилен, полипропилен и полистирол вообще не содержат гидрофильных групп.

Именно это объясняет водостойкость пленок из таких полимеров. Функциональные группы можно определить с помощью инструментальных методов исследования (ИК-спектроскопия, спектроскопия КР и др.). Но эти методы требуют лабораторных условий и квалифицированного обслуживания.

Простые и быстрые способы распознавания природы полимерных пленок основаны на том, что все они существенно отличаются по физическим и органолептическим свойствам, а также по отношению к нагреванию, характеру горения и химическим реакциям. Это обусловливает область применения полимерных пленок, существенно облегчая необходимую идентификацию. В Таблице 1 приведены основные показатели физических свойств полимерных пленок, наиболее часто используемых в качестве упаковки. В Таблице 2 представлены отличительные признаки полимерных пленок.

Таблица 1.

Таблица 2.

Распознавание вида пленок органолептическими методами и по их физическим свойствам

В первую очередь, полимерные пленки внимательно рассматривают, отмечая их внешние особенности и сравнивая результаты исследования с данными, приведенными в табл.2. При этом учитывают следующие факторы: o цвет и блеск (наименование тона и оттенка, матовый или блестящий образец), и характер поверхности (маслянистая, гладкая, шероховатая) o прозрачность (прозрачная, полупрозрачная, непрозрачная) o твердость, жесткость или эластичность, гибкость o характер шума при сминании пленки и ее стойкость к раздиру Результаты полученных исследований можно сопоставить с данными табл. 2.

После этого достаточно просто отнести пленку с тем или иным представленным в таблице полимерам. По оптическим свойствам, т. е. визуально, разделить между собой полимерные пленки достаточно сложно. Поэтому изучают их механические свойства. Пленки ПЭНП, ПЭВП, ПП и неориентированного ПВХ в руках легко растягиваются. Пленки из полиамида, ацетатов целлюлозы, ориентированного ПВХ и ПС нерастяжимы.

Пленки на основе искусственных полимеров (целлофан и ацетаты целлюлозы) не стойки к раздиру, легко расщепляются в направлении, перпендикулярном их ориентации и шумят при сминании. Более стойки к раздиру полиамидные и лавсановые пленки (ПЭТФ). Они также шумят при сминании. В то же время пленки ПЭНП, пластифицированного ПВХ, ПВДХ не создают шума при сминании и обладают высокой стойкостью к раздиру. Поскольку физические свойства полимерных пленок различаются весьма существенно, это позволяет использовать их в качестве тестов для распознавания типа полимера.

В значительной степени такое положение касается наиболее распространенных в упаковочных технологиях полиолефинов (ПЭНП, ПЭВП, ПП). Как видно из табл. 1, плотность ПЭНП, ПЭВП, ПП меньше единицы. Пленки на их основе плавают в воде, путем погружения в воду ровных полосок полимерных пленок, избегая появления пузырьков воздуха, искажающих опыт, можно сразу отделить полиолефины от иных полимеров. Практически, плотность достаточно просто определяется с помощью обычных технических весов, на одно из плеч которого подвешивается сетчатый цилиндр для пленочных образцов.

Плотность рассчитывается по соотношению:

Плотность = масса пленки в воздухе/ (масса пленки в воздухе - масса пленки в воде)

Тем не менее, этот метод весьма приблизителен и обычно применяется для полимеров небольшой плотности. Для более корректного определения плотности необходимы дополнительные исследования. Методики определения плотности и других физических характеристик полимерных пленок можно найти в соответствующих ГОСТ-ах (технических условиях).

В соответствии с величинами плотности полиэтилен высокого давления называют полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), а полиэтилен низкого давления - полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП). Молекулярная структура двух различных по способам получения видов полиэтилена одинакова, поэтому по внешнему виду и другим признакам (табл. 2) оба полиэтилена мало отличаются друг от друга. ПЭНП имеет молекулярные цепи более разветвленные, чем ПЭВП.

По этой причине последний в большей степени кристалличен и обладает более высокой плотностью. ПЭНП по прочности на разрыв несколько уступает ПЭВП, а по стойкости к многократным деформациям (изгибу) значительно превосходит ПЭВП, у которого более высокая жесткость и менее эластичные пленки. В то же время проницаемость ПЭВП, примерно, в 5-6 раз ниже, чем у ПЭНП. Поэтому ПЭВП является хорошей преградой влаге.

Из табл. 1 можно заметить, что наряду с физико-механическими свойствами (прочность при растяжении и изгибе, модуль упругости, относительное удлинение при разрыве), все полимерные пленки существенно различаются по термическим свойствам (теплостойкость, температура плавления). На этом основано распознавание вида полимерных пленок пробами на горение.

ПЭНП (ПЭВД) - полиэтилен низкой плотности (высокого давления), ПЭВП (ПЭНД) - полиэтилен высокой плотности (низкого давления)), ПП - полипропилен, ПВХ - поливинилхлорид, ПВДХ - поливинилиденхлорид, ОПС - ориентированный полистирол, ПА - полиамид, ПЭТФ - полиэтилентерефталат, ПК - поликарбонат, АЦ - ацетат целлюлозы.

Определение природы полимера термическими методами

Образец поджигают и выдерживают в пламени 5-10 секунд, фиксируя следующие свойства:

• способность к горению (горит, не горит)
• легкость воспламенения (загорается легко или с трудом)
• характер горения (горит в пламени и вне его, горит только в пламени, кратковременно вспыхивает и гаснет вне пламени и т. д.)
• цвет и характер пламени (яркое, зеленое, голубое, коптящее, с искрами, другое) o запах продуктов горения (острый, сладковатый, фенола, другое).

Характерные признаки горения наиболее отчетливо наблюдаются в момент поджигания образцов. В этот период следует быть особенно внимательным. Для установления вида образцов результаты опытов сравнивают с данными о характере поведения полимерных пленок при горении.

По характеру горения и запаху продуктов горения полиолефины напоминают парафин, так как элементарный химический состав этих веществ один и тот же, различаются они лишь размерами молекулярных цепей. Следовательно, отличить ПЭ от ПП термическими методами (так же, как и с помощью органолептических методов и физических свойств) достаточно сложно.

Это возможно только при определенном навыке по запаху продуктов горения, которые у ПП более резкие, напоминая запах жженой резины или горящего сургуча. Окончательное решение о том, из какого материала изготовлена упаковка, принимается по результатам комплексной оценки и по отношению к нагреванию, химическим реакциям.

Идентификация полимерных пленок по химическим свойствам

При затруднении в определении наименования полимера по органолептическим признакам, физическим и термическим свойствам производят дополнительные исследования пленок химическими методами. Как правило, к таким методам прибегают при арбитражных спорах, когда природу упаковки невозможно установить иным путем.

Для этого полимер могут подвергнуть термическому разложению (пиролизу), определяя в продуктах деструкции наличие характерных для данного полимера атомов (например, азота, хлора, кремния) или групп атомов (фенола, нитрогрупп и др.), склонных к специфическим реакциям, в результате которых имеет место определенный индикаторный эффект.

Данные исследования требуют специальных навыков в технике лабораторных работ, знание специальных методик, кото-рые изложены в книге [1]. Качественные реакции на продукты растворения приведены на рис.1. Основой определения типа полимерной пленки по ее растворимости послужила схема из книги [2].

Материал:
[1] Калинина Л. С. и др. "Химические методы исследования синтетических смол и пластических масс" - М.: Химия. 1963 г.
[2] Бристон Дж.Х., Катан Л. Л. "Полимерные пленки" - Пер. с англ. - М.: Химия. 1993 г.

Ханчич Олег Алексеевич, д.х.н
Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Информационно-аналитический журнал Pakko Graff, 2000, № 1