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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-12-29 22:37
太陽(yáng)輻照、溫度、濕度是影響塑料老化最主要的環(huán)境因素。基于以上三種環(huán)境因素，本文分別建立了模型進(jìn)行量化分析，形成環(huán)境條件對(duì)塑料老化的嚴(yán)酷度表征模型。應(yīng)用模型可以通過(guò)兩個(gè)地點(diǎn)的環(huán)境條件推測(cè)塑料在兩地老化的嚴(yán)酷度，并進(jìn)行比較。通過(guò)開(kāi)展高分子參考材料（聚苯乙烯和聚碳酸酯）在我國(guó)典型氣候環(huán)境的自然老化試驗(yàn)，采用塑料老化過(guò)程的光學(xué)性能數(shù)據(jù)對(duì)嚴(yán)酷度模型進(jìn)行驗(yàn)證，表明嚴(yán)酷度模型能夠反應(yīng)塑料在我國(guó)典型氣候的老化嚴(yán)酷度。
塑料材料應(yīng)用廣泛，其服役過(guò)程中的老化一直是研究熱點(diǎn)。為了對(duì)塑料的服役壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，過(guò)往開(kāi)展了很多人工和自然老化試驗(yàn)，并對(duì)其中各種影響因素進(jìn)行了研究[1-6]。研究表明影響高分子老化最主要的三種自然環(huán)境因素是太陽(yáng)輻照、溫度和濕度。通過(guò)對(duì)環(huán)境條件的研究，同時(shí)比較人工老化對(duì)自然老化的加速程度，提出了多種預(yù)測(cè)材料壽命的方法[7-10]。
本文綜合過(guò)往的研究，通過(guò)對(duì)50種材料（包括PS、PC、PP等主要工程高分子材料及其改性材料）的老化試驗(yàn)結(jié)果[10-13]，以材料光學(xué)性能的變化（黃化，失去光澤等）作為老化失效的標(biāo)準(zhǔn)[14-17]，建立環(huán)境因素對(duì)高分子材料老化影響模型，比較不同地區(qū)自然環(huán)境之間的嚴(yán)酷度差異。
影響塑料老化的環(huán)境因素主要有太陽(yáng)輻照、溫度和濕度。因此建立以下的公式（1）：
AF = f(I)·f(T)·f(M)
其中AF為嚴(yán)酷度，f(I)、f(T)、f(M)分別代表太陽(yáng)輻照、溫度和濕度的三個(gè)部分。
2.1 太陽(yáng)輻照模型建立
采用對(duì)Schwarzchild’s方程式的變化，建立太陽(yáng)輻照影響的模型，即公式（2）：
其中t1、t2是塑料在兩個(gè)地點(diǎn)的服役壽命，Ieff是對(duì)材料產(chǎn)生影響的有效輻照量，Iact是實(shí)際太陽(yáng)輻照量，I1 、I2是地點(diǎn)1和地點(diǎn)2的太陽(yáng)輻照量，a、x是相關(guān)系數(shù)。
2.2 溫度模型建立
采用Arrhenius方程來(lái)反應(yīng)溫度對(duì)高分子老化的影響，建立溫度影響的模型，即公式(3)：
其中Ea是反應(yīng)活化能，R是氣體常數(shù)，T1、T2是地點(diǎn)1和地點(diǎn)2的實(shí)際環(huán)境溫度。
2.3 濕度模型建立
潤(rùn)濕時(shí)間（TOW）在耐候性領(lǐng)域是衡量水分影響的重要參數(shù)，根據(jù)ISO 9223的定義，潤(rùn)濕時(shí)間為環(huán)境溫度高于0 ℃，相對(duì)濕度大于80 %的時(shí)間。建立一個(gè)水分影響因子：Wf= b+m•(TOW)，根據(jù)材料種類(lèi)的不同，常數(shù)b、m的數(shù)值不同。依此建立水部分的模型為公式（4）：
對(duì)水分敏感的材料，環(huán)境潤(rùn)濕時(shí)間的變化對(duì)影響因子的影響大，對(duì)水分不敏感的材料，環(huán)境潤(rùn)濕時(shí)間的變化對(duì)影響因子的影響小。絕大多數(shù)高分子材料屬于對(duì)水“輕微敏感”[18-20]。
2.4 嚴(yán)酷度模型建立
綜合輻照、溫度和水三個(gè)部分的模型合并可以得到加速因子的模型公式（5）：
其中I1是地點(diǎn)1的輻照量；I2是地點(diǎn)2的輻照量；T1是地點(diǎn)1的溫度；T2是地點(diǎn)2的溫度；Ea是反應(yīng)活化能；R是氣體常數(shù)；TOW1是地點(diǎn)1的濕潤(rùn)時(shí)間；TOW2是地點(diǎn)2的濕潤(rùn)時(shí)間；a，x，b，m是根據(jù)材料的使用壽命預(yù)估的因子。
公式（5）中嚴(yán)酷度AF是塑料在地點(diǎn)1和地點(diǎn)2的服役壽命的比值。當(dāng)以地點(diǎn)2為參考時(shí)，AF數(shù)值反映了地點(diǎn)1的相對(duì)服役壽命，可以通過(guò)塑料在地點(diǎn)1的服役壽命推算其在地點(diǎn)2的服役壽命。
2.5 模型參數(shù)確定
對(duì)公式（5）中高分子材料的反應(yīng)活化能Ea，根據(jù)材料的種類(lèi)而有所不同，例如，PC材料失去光澤和黃變的反應(yīng)活化能多數(shù)低于21 kJ/mol[21]，PVC材料顏色變化的反應(yīng)活化能在11-19 kJ/mol[22-23]，EVA材料黃變的反應(yīng)活化能在19 kJ/mol[24]。由于測(cè)量反應(yīng)活化能難度高、耗時(shí)長(zhǎng)，目前的研究報(bào)道很少[25-27]。
對(duì)公式（5）中溫度部分采用的Arrhenius方程進(jìn)行變化，可以得到反應(yīng)速率和溫度的關(guān)系式lnk = ln A + Ea/RT，根據(jù)對(duì)50種材料老化試驗(yàn)的反應(yīng)速率和溫度的計(jì)算，反應(yīng)活化能和氣體常數(shù)的比值可以近似的認(rèn)為是2151.4，即Ea/R = 2151.4[21]。
對(duì)公式（5）中a，x，b，m參數(shù)的數(shù)值，根據(jù)材料確定。在對(duì)50種材料進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算，各參數(shù)的最小值、最大值以及平均值如表1所示：
表1 參數(shù)值
|
參數(shù) |
最小值 |
最大值 |
平均值 |
|
a |
1.04 |
0.90 |
0.98 |
|
x |
0.20 |
1.12 |
0.64 |
|
b |
-9.52×10-5 |
2.29×10-4 |
2.8×10-5 |
|
m |
0.46 |
1.22 |
0.93 |
表2 各站點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)和嚴(yán)酷度計(jì)算
將瓊海站點(diǎn)定為站點(diǎn)2，則公式（6）中I2、T2、TOW2分別為瓊海站點(diǎn)的年太陽(yáng)輻照量、年平均溫度、年潤(rùn)濕時(shí)間。將其他站點(diǎn)的輻照、溫度和潤(rùn)濕時(shí)間數(shù)據(jù)分別帶入公式（6）中的I1、T1、TOW1，這樣可以分別計(jì)算出某地點(diǎn)與瓊海相對(duì)服役時(shí)間。
對(duì)PS和PC兩種高分子反饋材料在典型氣候站點(diǎn)開(kāi)展自然老化試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)材料光學(xué)性能變化情況的研究，反應(yīng)出材料在典型氣候環(huán)境中的老化嚴(yán)酷度，再與模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，可以對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和修正。
3.1 試驗(yàn)材料
聚苯乙烯（PS）:150 K，揚(yáng)子巴斯夫公司；聚碳酸酯（PC）：141，沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司。
3.2 自然老化試驗(yàn)
按GB/T 3681-2000《塑料大氣暴露試驗(yàn)方法》，分別在瓊海、廣州、吐魯番、北京、拉薩五個(gè)自然暴露試驗(yàn)場(chǎng)（其相關(guān)環(huán)境環(huán)境數(shù)據(jù)見(jiàn)表1）開(kāi)展PS和PC材料的自然大氣無(wú)背板暴曬試驗(yàn)，暴曬角為南向45 °。PS材料試驗(yàn)為期一年，每一個(gè)月取樣一次，進(jìn)行光學(xué)性能測(cè)試。PC材料試驗(yàn)為期三年，每三個(gè)月取樣一次，進(jìn)行光學(xué)性能測(cè)試。
3.3 測(cè)試與表征
用X-Rite 948型便攜式分光色差計(jì)，對(duì)清洗后的試樣曝曬面按照ISO 7724-2:1984測(cè)量色差，按GB/T 2409-1980測(cè)量黃色指數(shù)，結(jié)果各取三次測(cè)量的算術(shù)平均值。
3.4 結(jié)果與分析
圖1 PS光學(xué)性能變化（左-黃色指數(shù)，右-色差）
圖2 PC光學(xué)性能變化（左-黃色指數(shù)，右-色差）
圖1和圖2分別是PS和PC材料在全國(guó)五個(gè)典型氣候站點(diǎn)進(jìn)行自然老化試驗(yàn)的黃色指數(shù)和色差性能變化圖。通過(guò)對(duì)材料在各站點(diǎn)光學(xué)性能達(dá)到同一失效指標(biāo)在的時(shí)間與瓊海站點(diǎn)的進(jìn)行比較，得到各站點(diǎn)相對(duì)瓊海站的服役時(shí)間。
對(duì)根據(jù)PS和PC的黃色指數(shù)和色差典型光學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算的相對(duì)老化失效時(shí)間進(jìn)行平均，并和根據(jù)嚴(yán)酷度模型計(jì)算的相對(duì)老化失效時(shí)間對(duì)比如表3所示。
站點(diǎn)
瓊海
廣州
吐魯番
北京
拉薩
試驗(yàn)平均值
1
1.2
1.4
1.5
1.2
模型計(jì)算值
1
1.2
1.3
1.5
1.3
由上表可見(jiàn)，通過(guò)模型計(jì)算得出的相對(duì)老化失效時(shí)間和通過(guò)PS和PC材料光學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算的相對(duì)老化失效時(shí)間接近，基本可以反映各地點(diǎn)環(huán)境條件對(duì)PS和PC材料的老化嚴(yán)酷度。
通過(guò)以上的研究，可以得出以下結(jié)論：
1.通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻照量、溫度和濕度的模型化，可以對(duì)特定地點(diǎn)環(huán)境條件的嚴(yán)酷度進(jìn)行量化分析，建立嚴(yán)酷度量化模型；
2.通過(guò)對(duì)不同地點(diǎn)的環(huán)境條件嚴(yán)酷度對(duì)比，可以預(yù)測(cè)高分子材料在不同地點(diǎn)的相對(duì)老化失效時(shí)間。
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作者簡(jiǎn)介：
時(shí)宇，男，碩士，助理工程師，研究領(lǐng)域：高分子老化；
陶友季，男，博士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域：高分子材料及制品環(huán)境適應(yīng)性。
來(lái)源：環(huán)境技術(shù)
