Исследование особенностей климатического старения стабилизированного полиэтилена низкого давления в сложных природно-климатических условиях

Многие регионы Сибири и Дальнего Востока характеризуются экстремальными природно-климатическими условиями, включающими значительные сезонные (от –60 до 40 °C) и суточные (до 30 °C) колебания температур с неоднократными переходами через 0 °C, высокую влажность и интенсивную солнечную радиацию. В работе представлены результаты исследования климатической стойкости полиэтилена низкого давления (ПЭНД) в сложных природно-климатических условиях. Исследовали ПЭНД марки 273-83, содержащий стабилизатор марки СО-4. Натурное экспонирование на испытательном полигоне проводили в течение 15 мес. При исследовании относительного удлинения при разрыве установлено, что наибольшей климатической стойкостью обладают материалы, содержащие 1,0 % масс. СО-4. Кроме того, стабилизатор позволяет значительно повысить стойкость ПЭНД к окислительным процессам, не участвуя в реакции Норриша II, сопровождающейся образованием концевых винильных групп. Анализ показателя текучести расплава показал, что при старении на начальных этапах (до 3 мес.) в материалах протекают преимущественно реакции сшивания макромолекулярных цепей. С увеличением продолжительности экспонирования реакции, сопровождающиеся разрывом макромолекулярных цепей, начинают преобладать над процессами сшивания, приводя к снижению вязкости расплава. Применение стабилизирующей добавки дает возможность снизить скорость обеих конкурирующих реакций. Выявлено, что эффективность стабилизатора определяется его оптимальной концентрацией, зависящей от растворимости добавки в полимерной матрице. Недостаточное количество стабилизатора приводит к преждевременному его расходу при ингибировании радикальных цепных реакций, возникающих под воздействием УФ-излучения и кислорода воздуха. При избытке часть добавки выступает на поверхности материала, вызывая образование внутренних дефектов, приводящих к охрупчиванию ПЭНД. Полученные результаты могут быть использованы при оценке надежности и долговечности изделий из ПЭНД и стабилизированных материалов на его основе при воздействии заданных природно-климатических условий для предотвращения отказов оборудования в процессе эксплуатации.

1. Vafaeva K., Duklan N., Mohan Ch., et al. Comparative Analysis of Glass-Basalt-Plastic Materials for Construction in Arctic Conditions / BIO Web Conf. 2024. Vol. 86. P. 01112. DOI: 10.1051/bioconf/20248601112

2. Hartz W. F., Björnsdotter M. K., Yeung L. W. Y., et al. Sources and Seasonal Variations of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Surface Snow in the Arctic / Environ. Sci. Technol. 2024. Vol. 58. No. 49. P. 21817 – 21828. DOI: 10.1021/acs.est.4c08854

3. Lepov V., Petrov N., Pavlov N. System analysis of the modern materials and technologies in power engineering and industry for the Russian North and Arctic / AIP Conf. Proc. 2023. Vol. 2552. No. 1. P. 080026. DOI: 10.1063/5.0112831

4. Alexandrova D. S., Zlobina I. V., Egorov A. S., Anisimov A. V. Influence of unfavorable climatic factors characteristic of the arctic zone on the properties of polymeric materials and composites: a review / Vopr. Materialoved. 2023. Vol. 4. No. 116. P. 144 – 168 [in Russian]. DOI: 10.22349/1994-6716-2023-116-4-144-168

5. Rüthi J., Cerri M., Brunner I., et al. Discovery of plastic- degrading microbial strains isolated from the alpine and Arctic terrestrial plastisphere / Front. Microbiol. 2023. Vol. 14. P. 1178474. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1178474

6. Lepov V. V., Bisong S. M., Golykh R. N. Foundation of multilevel apploach to fracture modeling for materials with submicrostructure applicable for Arctic and Subarctic environment / Arctic Subarctic Nat. Resources. 2023. Vol. 28. No. 1. P. 156 – 171 [in Russian]. DOI: 10.31242/2618-9712-2023-28-1-156-171

7. Yousifa E., Ahmedb D., Zainulabdeena K., Jawad A. Photo-physical and morphological study of polymers: a review / Phys. Chem. Res. 2023. Vol. 11. No. 2. P. 409 – 424. DOI: 10.22036/pcr.2022.342751.2105

8. Marturano V., Marotta A., Salazar S., et al. Recent advances in bio- based functional additives for polymers / Prog. Mater. Sci. 2023. Vol. 139. P. 101186. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2023.101186

9. Mankar V. H., Chhavi. Sterically Hindered Phenols as Antioxidant / Eur. J. Mol. Clin. Med. 2020. Vol. 7. No. 7. P. 3481 – 3491.

10. Prosenko A. E., Terakh E. I., Kandalintseva N. V., et al. Synthesis and Antioxidative Properties of New Sulfur-Containing Derivatives of Sterically Hindered Phenols / Russ. J. Appl. Chem. 2001. Vol. 74. No. 11. P. 1899 – 1902. DOI: 10.1023/a:1014853029992

11. Petukhova E. S., Fedorov A. L. Investigation of the climate resistance of stabilized polyethylene composite materials / Procedia Structural Integrity. Part of special issue: 1st Int. Conf. on Integrity and Lifetime in Extreme Environment (ILEE-2019). — Elsevier, 2019. Vol. 20. P. 75 – 80. DOI: 10.1016/j.prostr.2019.12.118

12. Fedorov A. L., Petukhova E. S., Argunova A. G. Study of the influence of UV-radiation on the structure of CO-4 stabilizer by IR- spectroscopy / Climate-2022: Modern approaches to assessing the impact of external factors on materials and complex technical systems. — Moscow: Kurchatovskiy institut — VIAM, 2022. P. 109 – 118 [in Russian].

13. Narzullaeva A. M., Karimov M. U., Djalilov A. T. Obtaining metal- containing stabilizers for PVC compositions and studying their properties / Universum: Tekhn. Nauki. 2021. Vols. 7 – 2. No. 88. P. 70 – 74 [in Russian]. DOI: 10.32743/unitech.2021.88.7.12063

14. Tomshin O., Solovyev V. Features of the Extreme Fire Season of 2021 in Yakutia (Eastern Siberia) and Heavy Air Pollution Caused by Biomass Burning / Remote Sens. 2022. Vol. 14. No. 19. P. 4980. DOI: 10.3390/rs14194980

15. Petukhova E. S., Fedorov A. L., Argunova A. G. Study of the mechanisms of polyethylene degradation under prolonged exposure to natural climatic factors / Vysokomol. Soed. 2023. Vol. 65. No. 5. P. 392 – 402 [in Russian].

16. Maalihan R. D., Pajarito B. B. Effect of colorant, thickness, and pro-oxidant loading on degradation of low-density polyethylene films during thermal aging / J. Plast. Film Sheeting. 2016. Vol. 32. P. 124 – 139. DOI: 10.1177/8756087915590276

17. Tiago G., Mariquito A., Martins-Dias S., Marques A. The problem of polyethylene waste — recent attempts for its mitigation. / Sci. Total Environ. 2023. Vol. 892. P. 164629. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.164629

18. Wang Y., Feng G., Lin N., et al. A Review of Degradation and Life Prediction of Polyethylen / Appl. Sci. 2023. Vol. 13. P. 3045. DOI: 10.3390/app13053045

19. Bitt V. V., Volkov I. V., Musyak R. S., et al. Rheological characteristics of modern grades of extruded polyethylene / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2015. Vol. 81. No. 6. P. 46 – 51 [in Russian].

20. Zheng M., Chen M., Zhang L., et al. Effects of alkali metal catalysts on the melt fluidity of polycarbonates with different degrees of polymerization / J. Appl. Polym. Sci. 2023. Vol. 140. No. 10. e53587. DOI: 10.1002/app.53587

21. Hedir A., Slimani F., Moudoud M., et al. Quantifying time-dependent structural and mechanical properties of UV-aged LDPE power cables insulations / Turk. J. Chem. 2022. Vol. 46. No. 4. P. 956 – 967. DOI: 10.55730/1300-0527.3407