怎样提高高分子材料耐候性的研究论文

时间:2018-09-27 材料毕业论文 我要投稿

  高分子材料是以高分子化合物为基体, 添加填料或助剂形成的材料。其具有质量轻, 强度高, 耐腐蚀性强等特性, 在国防建设和国民经济的各个领域都得到了广泛应用。高分子材料作为可利用的再生资源, 具有广阔的发展前景。高分子材料已经日益成为不可缺少的材料之一, 从普通的日常生活用品到顶尖的高科技领域, 都离不开高分子材料。

  然而, 高分子材料在加工、贮存和使用过程中, 由于受到阳光、温度、水分等主要气候因素的影响, 会发生一系列的物理及化学反应, 使其性能逐渐变差, 导致丧失其使用价值[1]。如何有效延长高分子材料的使用寿命成为人们日益关注的重点。因此, 在高分子材料研发的过程中, 研究人员进行了大量的气候老化试验, 不断改进产品配方[2], 以期获得耐候性好的产品。本文重点探讨了高分子材料的耐候试验技术。

  1 高分子材料的耐候试验

  耐候试验是验证高分子材料暴露在阳光、温度、水分等气候条件下的耐久性, 表征材料抵抗环境气候因素侵蚀的能力。常见的耐候试验包括自然气候老化试验和人工加速老化试验。

  1.1 自然气候老化试验

  自然气候老化试验是将高分子材料长期暴露于自然环境中, 用以确定该自然环境对材料老化影响的试验。1839年, R.Mallet在河流入海口的水上和岸边分别采用垂直挂片的方法, 进行长期自然暴露试验, 开创了自然气候老化试验的先河。1905年, 美国科研人员在亚利桑那首次开展涂料的自然环境暴露试验。多年来, 经过科研人员不断研究探索, 自然气候老化试验逐渐发展成具有完整试验体系和标准的常规试验。

  1.2 人工加速老化试验

  随着科学技术的发展, 人工加速老化试验受到研究人员的青睐。为了能够比自然气候老化试验更快速的评估材料的耐候性能, 研究人员通常采用模拟太阳光的人工光源设备对测试样品进行加速老化试验, 实现材料加速老化的目的。人工光源主要包括碳弧灯、荧光紫外灯、氙灯和金属卤素灯。

  碳弧灯老化试验起源于20世纪初, 是最早的实验室气候老化试验方法。由于碳弧灯的光谱与日光光谱能量分布存在较大差异, 在人工加速老化试验发展过程中, 逐渐被氙灯暴露试验所取代。然而, 碳弧灯暴露试验技术应用较早, 已经十分成熟, 有着大量的实验数据积累, 为了将新开发材料与以往的材料进行对比, 仍需要进行碳弧灯暴露试验。目前, 在日本的材料领域, 碳弧灯暴露试验仍被广泛使用。

  荧光紫外灯老化试验主要是模拟材料在阳光中紫外线、温度、湿度环境下发生老化作用, 考察材料的耐老化性能。紫外老化试验设备简单, 经济实用, 因此在材料初期筛选试验中应用较为广泛。陈红等[3]研究了聚氯乙烯/丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈共混物的紫外光老化性能, 通过实验发现, 配比的不同会使共混物的性能随紫外光老化时间延长而发生变化。

  氙灯属于气体放电灯, 通过滤光片来调节光谱能量分布, 可以用来模拟材料日光曝晒过程。氙灯暴露试验相对于自然气候老化试验更加快速、准确, 而且重复好。袁宏辉等[4]通过研究自然户外曝晒和氙灯加速老化测试的结果, 发现两者之间存在较好的相关性, 证明人工加速老化试验用来评估颜料和涂料体系的耐久性是可行可靠的。

  氙灯作为模拟太阳光辐射最好的人造光源, 其光谱中含有较多的红外辐射, 且辐射效率较低, 不适合在大型实验箱中使用。金属卤素灯能够在全光谱范围内模拟太阳辐射, 在汽车行业, 金属卤素灯老化试验常被用来测试非金属部件在整车状态下的老化行为。

  相比于自然气候老化试验, 人工加速老化试验的优点在于:可持续性好, 能模拟日光条件或在比日光更强的辐照度下进行, 不受日夜循环、季节变化以及气候条件的限制, 同时材料老化过程的辐照度、温度和湿度都可以控制, 重复性和再现性好。

  2 高分子材料耐候性表征方法

  随着高分子材料气候老化试验的进行, 材料的性能会逐渐变差。因此采用有效的表征方法, 在评价高分子材料的老化程度, 分析产品配方对其老化速度的影响, 以及预估材料的使用寿命方面都有着重要意义。常用的表征方法有外观评价、力学性能测试和结构分析。

  2.1 外观评价

  气候老化试验的样品分为暴露面和非暴露面。随着老化时间的延长, 材料的两个面会表现出明显的差异, 在测试过程中, 通常只关注暴露面的外观性能变化。外观性能测试主要包括表面形态检测、颜色和光泽度测量。

  2.2 力学性能测试

  力学测试是高分子材料老化试验的重要考察指标。常规的力学性能包括拉伸、弯曲以及冲击性能。一般进行力学测试的试样, 在老化前要根据要求制成符合力学试验尺寸要求的标准样条, 老化期间定期进行取样测试, 测试之前需要对样品进行调节。李晖等[5]考察了尼龙66在氙灯暴露老化作用下, 其基本力学性能, 拉伸、弯曲、冲击强度随着暴露时间的变化, 对尼龙66的光老化机理进行了初步研究。

  2.3 结构分析

  由于现代仪器分析技术日新月异, 许多结构分析方法已用于高分子材料气候老化试验中。常见的结构分析方法有:傅立叶红外光谱 (FT-IR) , 凝胶渗透色谱 (GPC) , 差示扫描量热分析 (DSC) , 热重分析 (TGA) 和扫描电子显微镜 (SEM) 。陈晓峰等[6]在研究增塑剂DOP对PVC紫外光老化性能影响实验中, 采用了力学性能测试、傅里叶红外光谱FT-IR以及SEM等分析方法, 结果表明:紫外光老化后试样发生变色, 产生裂纹, 老化过程中发生了C-Cl键断裂和羰基的形成, 导致硬质PVC和软质PVC的断裂伸长率均减小, 但拉伸强度变化不同。

  3 提高高分子材料耐候性的措施

  高分子材料的老化失效不仅造成巨大的经济损失, 而且在材料分解的过程中, 会产生许多有害物质, 污染环境。如何改善高分子材料的使用性能, 提高其耐候性, 成为研究的热点之一。目前而言, 防止高分子材料老化最主要的方法是:在材料加工过程中加入稳定剂[7]。常用的稳定剂包括紫外光屏蔽剂, 紫外吸收剂, 淬灭剂和受阻胺类自由基捕捉剂。它们通过不同的作用机理, 起到减少材料发生光老化的目的。王佩璋等[8]研究了各种不同类型助剂对硬质PVC型材变色的影响, 试样经过20W紫外灯照射200h后测定其白度, 改性PVC材料的抗紫外光性能均明显提高, 且受阻胺类光稳定剂效果最佳。

  4 结语

  高分子材料种类繁多, 应用广泛, 有着很好的发展前景, 未来耐候试验技术研究的主要方向有:深入研究高分子材料气候老化机理, 确定材料老化过程中微观结构参数与宏观材料性能之间的关系, 深入理解材料结构与功能之间关系;大力发展耐候试验在线监测技术, 实现多种分析测试技术连用, 以期获取准确、全面的高分子材料气候老化实验参数;关注环境因素的协同作用, 开展多因素气候老化研究, 在老化动力学研究的基础上, 准确分析预测高分子材料的使用寿命;开发新的光稳定剂, 通过不断改进配方, 实现高分子材料使用寿命的有效延长。

  参考文献

  [1]高晓敏, 何舟, 杨雪海.部分高分子材料老化研究进展[J].合成材料老化与应用, 2005, 34 (1) :39-43.

  [2]Zhao Q, Li X, Gao J.Aging of Ethylene-Propylene-Diene Monomer (EPDM) in Aartificial Weathering Environment[J].Polymer Degradation and Stability, 2007, 92 (10) :1841-1846.

  [3]袁宏辉, 孙杏蕾, 张恒.氙灯老化与自然曝晒测试所得颜料耐候性的相关性[J].中国涂料, 2009, 24 (12) :35-38.

  [4]陈红, 熊英, 陈光顺, 等.丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈共聚物对聚氯乙烯紫外光老化性能的影响[J].高分子材料科学与工程, 2014, 30 (6) :42-47.

  [5]刘景军, 李效玉.高分子材料的环境行为与老化机理研究进展[J].高分子通报, 2005, 3:62-69.

  [6]李晖, 张霞, 付建农, 等.尼龙66人工老化性能研究[J].工程塑料应用, 2010, 38 (12) :65-68.

  [7]陈晓峰, 曹大为, 雷景新.增塑剂对聚氯乙烯紫外光老化性能影响的研究[J].塑料工业, 2007, 35 (2) :57-59.

  [8]王佩璋, 张成龙, 叶志殷.影响PVC型材变色因素的研究[J].中国塑料, 2004 (4) :76-79.

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