ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ СВОЙСТВ ПИГМЕНТА ФТАЛОЦИАНИНА ЦИНКА

УДК 66.01

АННОТАЦИЯ

В данной статье был приготовлен композит на основе пигмента фталоцианина цинка и полиэтилена марки F-0220 S, а также исследованы его термостабилизирующие свойства. В ходе эксперимента пигмент фталоцианина цинка вводили в полимерную матрицу, получали образец в виде лопатки и изучали его структурные и термические свойства современными физико-химическими методами. Результаты ИК-спектроскопического анализа позволили определить основные функциональные группы в составе композиции, состояние полимерной цепи и особенности взаимодействия между пигментом и матрицей. С помощью термогравиметрического анализа были установлены стадии термического разложения полученного композита, динамика потери массы и уровень термостойкости. Полученные результаты показали возможность применения пигмента фталоцианина цинка в качестве эффективного термостабилизатора для полиэтиленовых материалов.

ABSTRACT

In this article, a composite based on zinc phthalocyanine pigment and F-0220 S grade polyethylene was prepared, and its thermostabilizing properties were investigated. During the experiment, zinc phthalocyanine pigment was introduced into the polymer matrix, a paddle-shaped sample was prepared, and its structural and thermal stability properties were studied using modern physicochemical methods. The results of IR spectroscopic analysis made it possible to determine the main functional groups in the composition, the state of the polymer chain, and the interaction features between the pigment and the matrix. Thermogravimetric analysis was used to identify the stages of thermal decomposition of the prepared composite sample, the dynamics of mass loss, and the level of heat resistance. The obtained results showed that zinc phthalocyanine pigment can be used as an effective thermostabilizer for polyethylene materials.

Ключевые слова: фталоцианин цинка, полиэтилен, термостабилизатор, ИК-спектроскопия, дериватографический анализ, термическая стабильность, композиционный материал.

Keywords: zinc phthalocyanine, polyethylene, thermostabilizer, IR spectroscopy, derivatographic analysis, thermal stability, composite material.

Введение. Полиэтилен является одним из наиболее широко используемых термопластичных полимеров в промышленности. Однако в процессе переработки и эксплуатации под воздействием тепла, кислорода и факторов внешней среды он подвергается термоокислительной деструкции. Данный процесс сопровождается разрывом полимерных цепей, снижением молекулярной массы, ухудшением физико-механических свойств и, как следствие, сокращением срока службы материала. В связи с этим разработка эффективных способов термостабилизации полиэтилена представляет собой актуальную научно-практическую задачу [1].

Фталоцианины относятся к классу соединений с высококонъюгированной макроциклической системой и характеризуются интенсивной окраской, химической инертностью и высокой термической устойчивостью. Среди металлофталоцианинов особый интерес представляет пигмент фталоцианина цинка, обладающий стабильной электронной структурой, повышенной термической стойкостью и возможностью применения в качестве функциональной добавки в составе различных материалов [2, 3]. В литературе отмечается, что роль пигментов в полимерной матрице неоднозначна: в зависимости от их химической природы, степени дисперсности и характера взаимодействия с полимером они могут проявлять как стабилизирующий эффект, так и, напротив, ускорять процессы деградации. Поэтому каждая система типа «пигмент–полимер» требует отдельного исследования [4].

Для оценки структуры и свойств композиционных материалов на основе полиэтилена важное значение имеют методы ИК-спектроскопии и дериватографического анализа. В ИК-спектре полиэтилена валентные колебания в области 2915–2847 см⁻¹, деформационные колебания вблизи 1470 см⁻¹, а также полосы в интервале 730–720 см⁻¹ характеризуют структурное состояние полимерной цепи [5]. Термогравиметрический анализ, в свою очередь, позволяет определить стадии потери массы, температуру начала деструкции и степень термической стабильности материала [1, 6].

Материалы и методы исследования

Для получения композиционного материала использовали полиэтилен марки F-0220 S, пигмент фталоцианина цинка (ZnPc) и стеарат кальция. В качестве полимерной матрицы был выбран полиэтилен марки F-0220 S, а в качестве функциональной добавки — пигмент фталоцианина цинка, обладающий термостабилизирующими свойствами.

На основании предварительных исследований в качестве оптимального состава был выбран композит, содержащий 3 мас.% пигмента ZnPc. Для приготовления 100 г композиции исходные компоненты брали в следующем массовом соотношении: 96 г полиэтилена F-0220 S, 3 г пигмента фталоцианина цинка и 1 г стеарата кальция.  Перед смешением пигмент фталоцианина цинка измельчали в механическом измельчителе до мелкодисперсного состояния. Затем все компоненты композиции, включая гранулы полиэтилена, пигмент ZnPc и стеарат кальция, сушили при температуре 80-90 °C в течение 2-3 часов для удаления следов влаги. Сухое смешение компонентов проводили в высокоскоростном смесителе в течение 10-15 минут до получения однородной смеси.

Подготовленную композицию перерабатывали на лабораторном двухшнековом экструдере. Температурный режим переработки составлял: в первой зоне - 160 °C, во второй зоне -170 °C, в третьей зоне - 180 °C, в головной части экструдера -185–190 °C. Скорость вращения шнека поддерживали в пределах 200–300 об/мин. В указанных условиях был получен однородный расплав с равномерным распределением пигмента ZnPc в полиэтиленовой матрице. Выходящий из экструдера расплав охлаждали в водяной ванне и гранулировали. Из полученных гранул методом прессования при температуре 170-190 °C и давлении 8–12 МПа были изготовлены стандартные образцы в форме «лопатки» для последующих физико-химических исследований.

Результаты и обсуждение

Для выявления функциональных групп в составе полиэтиленового композита F-0220 S, содержащего модифицированный пигмент фталоцианина цинка, а также определения характера взаимодействия между компонентами был получен инфракрасный спектр. Основные полосы поглощения, наблюдаемые в спектре, показали особенности, характерные как для полимерной матрицы, так и для структуры пигмента.

Рисунок 1. ИК-спектр полиэтиленового композита F-0220 S с модифицированным пигментом фталоцианина цинка

Полосы поглощения, наблюдаемые при 2914 и 2848 см⁻¹, соответствуют асимметричным и симметричным валентным колебаниям групп –CH₂– в цепи полиэтилена, что свидетельствует о сохранении основного углеводородного скелета полимера. Полоса поглощения в области 1470 см⁻¹ характерна для деформационных колебаний групп –CH₂– и подтверждает степень кристалличности полиэтилена, а также уровень упорядоченности межцепных взаимодействий. Область поглощения в интервале 1100–1000 см⁻¹ связана с колебаниями связей C–N и C=N, характерных для макроциклической структуры модифицированного фталоцианина цинка, что указывает на присутствие пигмента в полимерной матрице. Полоса поглощения при 775 см⁻¹ относится к внеплоскостным колебаниям связей C–H в фталоцианиновом кольце, что также подтверждает наличие фталоцианиновой структуры в составе композита. Поглощение, наблюдаемое при 518 см⁻¹, соответствует координационным связям Zn–N, образованным атомом цинка с атомами азота, и свидетельствует о сохранении металлокомплексной природы пигмента. Полученные результаты показывают, что модифицированный пигмент фталоцианина цинка взаимодействует с полиэтиленовой матрицей преимущественно за счёт физических взаимодействий, при этом образование новых ковалентных связей не наблюдается. Одновременно отсутствие в спектре полос поглощения, характерных для продуктов окисления, в частности карбонильных групп (C=O, 1700–1750 см⁻¹) и гидропероксидных групп (O–H, 3200–3600 см⁻¹), указывает на ограничение процессов фотоокислительной деструкции в композиционном материале. Это подтверждает, что модифицированный пигмент фталоцианина цинка проявляет свойства фотостабилизатора.

Термостойкость и процессы термического разложения композиционного материала на основе полиэтилена и пигмента фталоцианина цинка (PE/ZnPc) были исследованы методами термогравиметрического анализа (TGA) и дифференциального термического анализа (DTA). Изучение термической стабильности композита проводили в температурном интервале 15–500 °C, при этом процесс разложения включал три основные стадии. На TG-кривой наблюдалось поэтапное уменьшение массы образца в различных температурных областях, что свидетельствует о последовательном протекании процессов термической деструкции.

Рисунок 2. Дериватограмма полиэтиленового композита F-0220 S с модифицированным пигментом фталоцианина цинка

Согласно данным полученной дериватограммы, термическое разложение исследуемого образца протекало в несколько последовательных стадий.

На первой стадии потеря массы образца была незначительной и составила 1,994% (m = 0,033 мг). Уменьшение массы на данном этапе связано, по-видимому, с испарением влаги, адсорбированной полимерной матрицей, а также с выделением низкомолекулярных летучих компонентов, присутствующих в составе композита. Следует отметить, что при температуре плавления полиэтилена 166,86 °C резкого снижения массы не наблюдалось, что свидетельствует о сохранении химического состава модифицированного полиэтиленового композита даже в расплавленном состоянии.

На второй стадии потеря массы составила 4,29% (m = 0,071 мг). В данном температурном интервале в полиэтиленовых цепях начинается термоокислительная деструкция, однако благодаря присутствию пигмента фталоцианина цинка (ZnPc) этот процесс протекает в более стабильном режиме. Это можно объяснить тем, что молекулы пигмента способны связывать свободные радикалы, образующиеся при разрыве макромолекулярных цепей, а также способствуют более равномерному распределению тепла, что замедляет развитие деструкционных процессов.

Третья стадия разложения является наиболее критической и сопровождается основной потерей массы образца — 95,71% (m = 1,584 мг). При температурах выше 340 °C наблюдается интенсивное разрушение полимерных цепей, сопровождающееся разрывом связей C–C и C–H. При достижении температуры 509 °C полимерная матрица композита практически полностью разлагается, что свидетельствует о завершении процесса термической деструкции.

Заключение. Результаты проведённых исследований показали, что введение пигмента фталоцианина цинка в состав полиэтилена марки F-0220 S оказывает положительное влияние на структурные и термические свойства композиционного материала. Данные ИК-спектроскопического анализа свидетельствуют о равномерном распределении пигмента в полимерной матрице, а также о наличии определённого уровня межмолекулярного взаимодействия между компонентами системы. Результаты термогравиметрического анализа показали, что процесс термического разложения образца протекает поэтапно, а присутствие пигмента фталоцианина цинка способствует повышению устойчивости полиэтилена к тепловому воздействию.

Таким образом, пигмент фталоцианина цинка представляет интерес не только как красящее вещество, но и как эффективный термостабилизатор для полиэтиленовых материалов. Полученные результаты научно обосновывают возможность создания на основе данного пигмента полимерных композиционных материалов с улучшенными термическими свойствами.

Список литературы:

1. Wang Y., Wang X., Chen J. A Review of Degradation and Life Prediction of Polyethylene // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. No. 5. Art. 3045.
2. Vasiljević B.R., et al. Enhanced thermal stability and excellent electrochemical and photocatalytic performance of hierarchical structure of zinc-phthalocyanine samples // Ceramics International. 2024.
3. Hernández A., et al. Unsymmetrical β-fused Blatter radical zinc phthalocyanines // Angewandte Chemie International Edition. 2025.
4. Andersen E., et al. Accelerating effect of pigments on poly(acrylonitrile styrene) degradation in ABS blends // Polymer Degradation and Stability. 2020.
5. Teh J.W., Rudin A., Keung J.C. Polyethylene characterization by FTIR // Polymer Testing. 2002. Vol. 21. P. 557–563. IQ polosalari bo‘yicha keyingi ishlarda keng qo‘llanadi.
6. Chowdhury T., et al. Study on Thermal Degradation Processes of Polyethylene by Thermogravimetric Analysis // Processes. 2023. Vol. 11. Art. 496.