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        高抗沖聚苯乙烯材料老化行為的模擬研究

        2022-12-05 12:19:30王新雷王玉海
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年35期
        關(guān)鍵詞:耐候伸長(zhǎng)率光照

        王新雷,王玉海

        (1.美墾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司 研發(fā)中心,廣東 佛山 528311;2.華南師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 510006)

        前言

        高抗沖聚苯乙烯(HIPS)是一種通用塑料,其具有硬度高、強(qiáng)度大、加工簡(jiǎn)單,以及價(jià)格低廉等諸多優(yōu)勢(shì)而被多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。由于純HIPS含有不穩(wěn)定的橡膠相,在自然條件的光照下容易導(dǎo)致表面黃變、龜裂甚至粉化使得HIPS壽命下降,特別作為外觀件,老化后影響美觀,給人有效的感觀只有幾年,因此在這方面存在極大的劣勢(shì)。

        聚合物一般評(píng)價(jià)光老化的方法有UVA 紫外光、UVB紫外光以及氙燈光源法,根據(jù)不同的材料有選擇性的選擇光源、設(shè)定不同的加速條件來模擬評(píng)價(jià)自然光環(huán)境下的材料壽命變得可能,如外觀、力學(xué)性能、耐化學(xué)性能等加速評(píng)價(jià)。

        在純HIPS中添加光穩(wěn)定劑、抗氧劑以及紫外線吸收劑等助劑能夠很好的緩解HIPS 的耐候差的劣勢(shì)[1-3],HIPS耐候改性已經(jīng)在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的文獻(xiàn)中有過較多、較全面的報(bào)道[4-5]。目前,人工加速老化對(duì)HIPS耐候特性的研究較少,且其壽命機(jī)理研究不夠深入。本研究將采用UVA、UVB 和氙燈法來研究純HIPS 和耐候HIPS 的耐候機(jī)理和力學(xué)性能變化。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 原料

        高抗沖聚苯乙烯(HIPS),奇美公司888G;抗氧劑分別選為:汽巴公司1010 和168。

        1.2 樣品制備

        本實(shí)驗(yàn)樣品:純HIPS、耐候HIPS(S-HIPS,0.5‰抗氧劑1010+0.5‰抗氧劑168)。

        原料預(yù)先烘烤,條件:60 ℃、12 h。按配比在雙螺桿機(jī)內(nèi)擠出并造粒,條件:溫度200 ℃。在立式注塑機(jī)上注塑,條件:溫度220 ℃、壓力5 MPa。紅外檢測(cè)的樣品被熱流延成薄膜,厚度:60 μm。

        1.3 樣品表征

        1.3.1 加速試驗(yàn)

        UVA加速試驗(yàn):老化箱選擇Q-PANEL的QUV實(shí)驗(yàn)箱,光源:UV-A;波長(zhǎng):340 nm;輻射強(qiáng)度:0.55 W/m2;周期:0.5 day;濕度:65 %;周期條件:第一階段60 ℃、有光+無噴淋8 h,第二階段:50 ℃、無光+有噴淋4 h。選用標(biāo)準(zhǔn):GB/T 16422.3-1997。

        UVB加速試驗(yàn):老化箱選擇Q-PANEL的QUV 實(shí)驗(yàn)箱,光源:UV-B;波長(zhǎng):313 nm;輻射強(qiáng)度:0.55 W/m2;周期:0.5 day;濕度:65 %;周期條件:第一階段60 ℃、有光+無噴淋8 h,第二階段:50 ℃、無光+噴淋4 h。選用標(biāo)準(zhǔn):GB/T 16422.3-1997。

        氙燈加速試驗(yàn):老化箱選擇Q-PANEL的Q-Sun 實(shí)驗(yàn)箱,輻射強(qiáng)度:0.50 W/m2;波長(zhǎng):340 nm;溫度:65 ℃;濕度:65 %;周期:120 min;周期條件:后18 min 噴淋加光照,而前102 min 僅光照不噴淋。

        1.3.2 性能測(cè)試

        紅外測(cè)試:FTIR 光譜儀選擇BRUKER 的TENSOR 27,樣品老化前后紅外檢測(cè),范圍:4 000 cm-1至400 cm-1,次數(shù):16。

        力學(xué)測(cè)試:拉伸試驗(yàn)機(jī)選擇GT-AI 7000M,條件:拉伸速度50 mm/min、彎曲速度2 mm/min;沖擊試驗(yàn)機(jī)選擇ZBC1400_2 型擺錘沖擊儀,按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺口沖擊檢測(cè)。選擇標(biāo)準(zhǔn):GB/T 1040.1-2006、GB/T 9341-2000和GB/T 1043-93。

        掃描電鏡觀察:掃描電子顯微鏡選擇JEOL 的JSM6390LA,觀察樣品形貌。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 純HIPS老化行為

        為了研究人工加速和自然老化對(duì)材料內(nèi)部變化的規(guī)律,首先對(duì)比了兩類方法之間的基團(tuán)變化規(guī)律。圖1是純HIPS 在不同人工加速老化試驗(yàn)過程中羰基氧化物的紅外譜圖。利用不同光源對(duì)HIPS 進(jìn)行人工加速老化時(shí),從圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)中可以看到,純HIPS 在UVB、UVA 和氙燈光照條件下,在一開始,1 715 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰,此峰被確認(rèn)為羰基峰,也就是羧酸的主要成分;持續(xù)老化后,此處吸收峰的強(qiáng)度增強(qiáng),表明酯類化合物成為主產(chǎn)物。從這一現(xiàn)象可以確認(rèn):純HIPS材料在人工加速過程中的基團(tuán)變化過程與過往研究[6-7]的自然老化過程中的基團(tuán)變化過程基本一致。

        圖1 純HIPS 在不同人工加速老化試驗(yàn)過程中羰基氧化物的紅外譜圖

        2.2 純HIPS和耐候HIPS力學(xué)性能變化

        本研究以代表性的UVB 光源對(duì)純HIPS 和耐候HIPS力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究,尋找加速條件對(duì)力學(xué)性能變化的關(guān)鍵影響因素,也考察耐候HIPS 的實(shí)際抗老化效果。圖2 是純HIPS和耐候HIPS材料在不同時(shí)間光照后的拉伸曲線,其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化曲線見圖2(a)和圖2(b)。從圖中可見,96 h 后,純HIPS材料表現(xiàn)為:拉伸強(qiáng)度快速下降、初始值比試驗(yàn)終止時(shí)下降超過50%;斷裂伸長(zhǎng)率比拉伸強(qiáng)度下降幅度更加快速,材料的力學(xué)性能發(fā)生了非常明顯的變化,而后斷裂伸長(zhǎng)率隨著時(shí)間的增加變化微弱,但拉伸強(qiáng)度持續(xù)下降,在2 500 h 后,樣品發(fā)生脆性斷裂。相對(duì)于純HIPS,耐候HIPS 的斷裂伸長(zhǎng)率在光照過程中下降緩,在光老化初期,斷裂伸長(zhǎng)率甚至增加,光照96 h 后,斷裂伸長(zhǎng)率上升到37.1%,是未老化時(shí)的1.2 倍,而隨著光照時(shí)間的增加,斷裂伸長(zhǎng)率也呈現(xiàn)快速下降,拉伸強(qiáng)度在老化過程中基本上變化不大。

        圖2 純HIPS 和耐候HIPS 材料在不同時(shí)間光照后的拉伸曲線

        圖3 是純HIPS 和耐候HIPS 光老化前后的彎曲曲線,其彎曲強(qiáng)度和彎曲模量與光照時(shí)間的關(guān)系曲線見圖3(a)和圖3(b)。對(duì)于耐候HIPS,光氧老化前期,HIPS 表面形成的降解層硬度隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)而增加,因此,彎曲強(qiáng)度增加,老化到一定時(shí)間后,表面降解形成的缺陷增加、積累,耐候HIPS 彎曲強(qiáng)度緩慢下降。對(duì)于純HIPS,一開始較多的表面裂紋使得樣品的彎曲強(qiáng)度表現(xiàn)為下降,持續(xù)的老化加劇了彎曲強(qiáng)度的下降幅度。彎曲模量在光降解的作用下,表面逐漸變硬,所以兩者較老化前均表現(xiàn)為不同程度的增加。

        圖3 純HIPS 和耐候HIPS 光老化前后的彎曲曲線

        圖4 是純HIPS 和耐候HIPS 缺口沖擊強(qiáng)度與光照時(shí)間的關(guān)系曲線。UVB在96 h 后,純HIPS和耐候HIPS的缺口沖擊強(qiáng)度發(fā)生不同程度的降低,但是與耐候HIPS相比,純HIPS 的缺口沖擊強(qiáng)度先加速下降而后緩慢下降,耐候HIPS的缺口沖擊下降表現(xiàn)緩和。

        圖4 純HIPS 和耐候HIPS 缺口沖擊強(qiáng)度與光照時(shí)間的關(guān)系曲線

        2.3 HIPS老化特征

        圖5 是純HIPS 在UVB 下隨時(shí)間變化的電鏡照片。如圖所示,純HIPS 在初始狀態(tài)和96 h 表面良好,未發(fā)生肉眼可見的變化,隨著光照時(shí)間的增加,表面開始變化,在經(jīng)歷908 h 后,樣品表面全部是龜裂紋。圖6 是耐候HIPS 在UVB 條件下隨時(shí)間變化的電鏡照片。耐候HIPS在光照908 h 后表面仍未出現(xiàn)裂紋,其已顯示出良好的耐UVB老化特性。

        圖5 純HIPS 在UVB 條件下隨時(shí)間變化的電鏡照片

        圖6 耐候HIPS 在UVB 條件下隨時(shí)間變化的電鏡照片

        3 結(jié)論

        不同人工加速老化條件下,純HIPS在UVB、UVA和氙燈光照條件下,期初在1 715 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰,為羰基峰,是羧酸的主要成分;持續(xù)老化后,吸收峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),表明酯類化合物成為主產(chǎn)物。可以確認(rèn),純HIPS 材料在人工加速過程中的基團(tuán)變化過程與過往研究的自然老化過程中的基團(tuán)變化過程基本一致。

        UVB 人工加速老化后,純HIPS 材料拉伸強(qiáng)度快速下降、初始值比試驗(yàn)終止時(shí)下降超過50%;斷裂伸長(zhǎng)率比拉伸強(qiáng)度下降幅度更加快速,而后斷裂伸長(zhǎng)率增幅微弱,但拉伸強(qiáng)度仍持續(xù)下降;其彎曲模量表現(xiàn)為增加;耐候HIPS 的對(duì)應(yīng)力學(xué)性能在相同的UVB 加速條件下變化不急劇,同時(shí)純HIPS 在UVB 老化后表面發(fā)現(xiàn)大量裂紋,而耐候HIPS 顯示出良好的耐老化特性,表明抗氧劑對(duì)純HIPS的耐候效果作用明顯。

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