UV-valon aikaansaama polypropeenin ja polystyreenin rappeutuminen – spektroskopinen ja DSC tutkimus

Ultraviolet (UV) radiation is an important factor affecting the life-time of polymer products. When polymers are exposed to UV radiation in the presence of oxygen they degrade due to photo-oxidative reactions. The changes in the mechanical properties and appearances of polymers are the result of chemical changes in the polymer structure. The observation of the early chemical changes in the photo-oxidative degradation of polypropylene (PP) and polystyrene (PS) was examined in this thesis. In this thesis Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy and differential scanning calorimetry (DSC) were used to study the changes that occurred in polypropylene and polystyrene when they were irradiated with a xenon arc lamp in air. The spectroscopic methods were used to observe the chemical changes in the polymer structure and the addition of new chemical groups and DSC was used to observe changes in the thermal properties and oxidative stability of the polymers. Differential photocalorimetry (DPC) was used as a novel method to observe changes in the oxidative stability of polymers with simultaneous irradiation. The DPC results were compared with the DSC results to examine how irradiation affects the oxidative stability of PP and PS. The largest change observed in the polymer samples during irradiation was the formation of a carbonyl group absorption band in the IR spectra located at ν ̃≈1720 cm^(-1). A substantial increase in the absorbance between λ=270–350 nm was observed in the UV-Vis spectra of PS, due mostly to the formation of conjugated double bonds. A small increase in the absorbance between λ=250–300 nm was observed in the UV-Vis spectra of PP, assigned to the formation of carbonyl groups. The melting temperature of PP decreased after irradiation, which was assigned to chain scission. The glass transition temperature of PS rose steadily for the first irradiation sequences, but decreased noticeably during the last one. The increase was assigned to crosslinking whereas the decrease was assigned to either chain scission or the photochain oxidation mechanism. The oxidation induction time (OIT) of PP decreased over 90 % during the first irradiation sequence. The oxidation occurred practically immediately for the irradiated samples, which indicates a large and fast decrease in thermal oxidative stability. The OIT test was not applicable for PS. The oxidation induction temperature (T_ox) decreased for PP and increased for PS due to photodegradation. This may be due to changes in the average molecular mass, with a decrease in mass indicating a decrease in the oxidation induction temperature and vice versa.Ultraviolettisäteily on tärkeä polymeerituotteiden elinikään vaikuttava tekijä. Kun polymeerejä altistetaan UV-säteilylle hapen läsnä ollessa, ne rappeutuvat valon aikaansaamien hapetusreaktioiden ansiosta. Muutokset polymeerien mekaanisissa ja ulkoisissa ominaisuuksissa aiheutuvat kemiallisista muutoksista polymeerirakenteessa. Tässä diplomityössä tutkittiin varhaisten kemiallisten muutosten havaitsemista polypropeenin (PP) ja polystyreenin (PS) rappeutumisessa valon vaikutuksesta. Tässä työssä käytettiin Fourier’n muunnos infrapunaspektroskopiaa (FTIR), ultravioletti-näkyvä valo (UV-Vis) -spektroskopiaa sekä differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC) polypropeenissa ja polystyreenissä tapahtuvien muutosten havaitsemiseen, kun niitä säteilytettiin ksenon-kaarilampulla ilman läsnäollessa. Spektroskopisia menetelmiä käytettiin polymeerirakenteessa tapahtuvien muutosten ja uusien funktionaalisten ryhmien muodostumisen havaitsemiseen, ja DSC:tä käytettiin havaitsemaan muutoksia polymeerien termisissä ominaisuuksissa ja hapettumisen kestossa. Differentiaalista fotokalorimetriaa (DPC) käytettiin uutena menetelmänä muutosten havaitsemiseen hapettumisen kestossa samanaikaisen säteilytyksen kanssa. DPC:llä mitattua hapettumisen kestoa verrattiin DSC:llä mitattuun säteilytyksen vaikutuksen määrittämiseksi PP:n ja PS:n hapettumisen kestossa. Suurin muutos säteilytetyissä polymeerinäytteissä oli IR-spektreihin aaltoluvulle ν ̃≈1720 cm^(-1) muodostunut karbonyyliryhmän absorptiovyö. Polystyreenin UV-Vis-spektreissä havaittiin huomattava absorbanssin kasvu välillä λ=270–350 nm, mikä johtui konjugoituneiden kaksoisidosten muodostumisesta. Polypropeenin UV-Vis spektreissä havaittiin pieni absorbanssin kasvu välillä λ=250–300 nm, mikä johtui karbonyyliryhmien muodostumisesta. Polypropeenin sulamislämpötila laski säteilytyksen jälkeen, minkä aiheutti polymeeriketjujen katkeaminen. Polystyreenin lasittumislämpötila kasvoi tasaisesti ensimmäiset säteilytysjaksot, mutta laski huomattavasti viimeisen aikana. Kasvu johtui polymeeriketjujen silloittumisesta, kun taas lasku oli seurausta joko ketjujen katkeamisesta tai valoketjuhapettumismekanismista. Polypropeenin hapettumisen alkamisaika (OIT) laski yli 90 % ensimmäisen säteilytysjakson aikana. Säteilytettyjen näytteiden hapettuminen tapahtui käytännössä välittömästi, mikä viittaa huomattavaan ja nopeaan laskuun termisen hapettumisen kestossa. OIT-mittaus ei soveltunut PS:lle. Hapettumisen alkamislämpötila (T_ox) laski PP:lle ja kasvoi PS:lle valon aikaansaaman hajoamisen seurauksena. Tämä voi olla seurausta keskimääräisen molekyylimassan muutoksista, jolloin massan lasku vastaa laskua hapettumisen alkamislämpötilassa ja päinvastoin