慕仙蓮,時(shí)宇,祁黎,王俊,盧海島
(1.中國(guó)特種飛行器研究所,荊門(mén) 448035;2.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司,工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510663)
聚苯乙烯(PS)具有透明度高、電性能良好、玻璃化溫度高、剛度大等的物理特性[1,2],其廉價(jià)、輕量、絕緣、印刷性好等優(yōu)點(diǎn),在儀表外殼、光學(xué)儀器零件、電容器介質(zhì)層、日用裝璜,照明指示和包裝等市場(chǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3-4]。同時(shí)聚苯乙烯材料在熱、氧及大氣條件下易發(fā)生老化現(xiàn)象,導(dǎo)致顏色黃變、表面粗糙、透明性降低[5],當(dāng)體系中含有微量單體、硫化物等雜質(zhì)時(shí)更易老化。
由于自然大氣暴露試驗(yàn)在研究高分子材料及制品的耐候性過(guò)程中具有試驗(yàn)周期長(zhǎng)的不利條件,在工業(yè)企業(yè)的研發(fā)過(guò)程中,氙燈加速老化逐漸成為研究高分子材料耐候性最重要的研究手段[6]。為了更好的模擬自然環(huán)境,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)的輻照度、溫度、濕度等條件進(jìn)行變化組合,不同條件的氙燈方法被設(shè)計(jì)出來(lái)[7-9],但其對(duì)真實(shí)自然環(huán)境的模擬程度始終是難以解決的問(wèn)題[10]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)PS材料而言,在濕熱環(huán)境的老化速率較快[11]。我國(guó)的海南島是典型的濕熱條件,是研究氣候老化試驗(yàn)基準(zhǔn)環(huán)境[12,13]。本研究開(kāi)展了PS材料在海南5個(gè)站點(diǎn)的自然老化試驗(yàn),通過(guò)研究PS的色差變化,比較了不同站點(diǎn)的PS老化行為。又開(kāi)展了3種不同條件的氙燈老化試驗(yàn),通過(guò)比較氙燈和自然老化之間的相關(guān)系數(shù),選出了和海南自然老化相關(guān)性最高的氙燈老化方法,該方法適用于模擬PS材料在海南濕熱環(huán)境中的自然老化行為,并計(jì)算了該方法的加速因子。
聚苯乙烯(PS):158K,揚(yáng)子巴斯夫公司。
樣品采用注射成型,尺寸為50×80×3 mm。
氙燈老化箱:Ci4000,美國(guó)ATLAS公司;
色差計(jì):X-Rite 948型便攜式分光色差計(jì)。
按GB/T 3681-2000在海南5個(gè)站點(diǎn)開(kāi)展PS材料的自然老化試驗(yàn),試驗(yàn)站點(diǎn)包括臨高、瓊海、???、三亞、東方(各站點(diǎn)相關(guān)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)見(jiàn)表1),暴曬角為南向45 °,無(wú)背板。2021年2月開(kāi)始試驗(yàn),試驗(yàn)期一年,每個(gè)月取樣一次。
表1 海南自然老化試驗(yàn)站點(diǎn)的環(huán)境條件
采用3種方法開(kāi)展PS材料的人工加速老化試驗(yàn),方法1為PV3930,方法2為ISO 11341-2004中的方法A,方法3為SAE-J2527,試驗(yàn)儀器為Atlas Ci4000型氙燈試驗(yàn)箱,具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)氙燈老化和自然老化的相關(guān)性選出最適合模擬海南自然環(huán)境的試驗(yàn)方法。
表2 氙燈老化試驗(yàn)參數(shù)
對(duì)樣品表面用去離子水進(jìn)行清洗,然后采用X-Rite 948型便攜式分光色差計(jì),對(duì)試樣曝曬面測(cè)量色差,結(jié)果取三次測(cè)量的算術(shù)平均值,測(cè)量按照ISO 7724-2:1984的方法進(jìn)行。
色差值是評(píng)價(jià)塑料老化程度的重要指標(biāo),對(duì)透明的PS材料而言,色差值的大小反映了材料在老化過(guò)程中分子鏈氧化斷裂而產(chǎn)生的發(fā)色基團(tuán)的含量,是一種能夠影響產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[14-15]。圖1是PS材料在海南5個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行自然老化試驗(yàn)過(guò)程中色差的變化??梢钥闯鯬S材料的色差隨著自然老化時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸變大,色差值增長(zhǎng)的幅度在不同的站點(diǎn)之間有明顯的差異。經(jīng)過(guò)12個(gè)月的自然老化,PS在瓊海和臨高站點(diǎn)的色差值在36以上,在三亞和東方站點(diǎn)的色差值在27~29之間,而在??谡军c(diǎn)的色差值只有21左右。5個(gè)站點(diǎn)的色差值明顯分為3個(gè)等級(jí),可以認(rèn)為PS在瓊海和臨高的老化程度最大,在三亞和東方的老化程度居中,在??诘睦匣潭茸钚?。
圖1 PS材料在自然老化期間的色差變化
表3是PS材料在海南5個(gè)站點(diǎn)的自然老化試驗(yàn)結(jié)果的擬合方程,其中tn為自然老化時(shí)間,ΔE為PS材料的色差??梢钥闯鯬S材料在自然老化中色差變化和老化時(shí)間的增加呈線(xiàn)性關(guān)系。
表3 PS材料在5個(gè)站點(diǎn)的色差-時(shí)間擬合方程及其相關(guān)性
圖2是PS材料在分別采用 3種方法的氙燈加速老化試驗(yàn)期間的色差變化??梢钥闯鼋?jīng)過(guò)1 000 h的氙燈老化,采用方法1的氙燈老化后PS材料色差明顯變大,而采用方法2和方法3的氙燈老化后,PS材料色差的變化幅度遠(yuǎn)小于方法1。對(duì)3種方法的試驗(yàn)條件進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn),和方法1相比,方法2濕度條件更低,方法3有黑暗循環(huán),可以看出在持續(xù)光照和高溫高濕的條件下,PS老化速率最快。
圖2 PS材料在氙燈老化期間的色差變化
為了考察3種氙燈老化方法和PS材料在海南的自然老化的相關(guān)性,對(duì)PS材料的自然老化和氙燈老化兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算。皮爾遜相關(guān)系數(shù)用來(lái)反映兩個(gè)數(shù)據(jù)集合之間的線(xiàn)性相關(guān)程度,是最常用衡量?jī)山M數(shù)據(jù)之間相關(guān)性的方法[15],其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
表4是PS材料采用3種方法開(kāi)展的氙燈老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別和5個(gè)站點(diǎn)的自然老化數(shù)據(jù)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果??梢钥闯霾捎梅椒?的氙燈老化和自然老化的相關(guān)系數(shù)最高,5個(gè)站點(diǎn)均高于0.95,可以看出采用方法1(PV3930標(biāo)準(zhǔn))的氙燈老化試驗(yàn)條件最能模擬海南濕熱環(huán)境,在考察PS材料在濕熱環(huán)境中老化時(shí),最適合采用該氙燈老化試驗(yàn)條件。
表4 不同粉末涂料的自然老化和氙燈老化的皮爾遜相關(guān)系數(shù)
PS材料在進(jìn)行氙燈老化時(shí)相對(duì)自然老化的加速性通過(guò)比較達(dá)到相同色差值的加速老化時(shí)間和自然老化時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,計(jì)算氙燈老化和自然老化之間的加速因子。如圖3所示,圖中橫坐標(biāo)為加速老化時(shí)間ta,縱坐標(biāo)為自然老化時(shí)間tn,可以看出PS材料在采用方法1的氙燈老化和5個(gè)站點(diǎn)的海南自然老化試驗(yàn)中分別達(dá)到相同色差值的試驗(yàn)時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系,通過(guò)對(duì)各組數(shù)據(jù)的線(xiàn)性擬合,其擬合方程與相關(guān)系數(shù)如表5所示。擬合方程中直線(xiàn)的斜率即為氙燈老化相對(duì)自然老化的加速因子。
圖3 PS材料在氙燈和自然老化之間的加速性
表5中直線(xiàn)斜率表明PS在采用方法1的氙燈老化試驗(yàn)中老化速率相對(duì)海南自然老化的加速因子。其中該氙燈試驗(yàn)方法相對(duì)??谧匀焕匣募铀僖蜃幼畲鬄?.87,相對(duì)三亞和東方的加速因子居中,分別為6.05和6.06,相對(duì)瓊海和臨高的加速因子較小,分別為5.25和5.11。可以看出,氙燈試驗(yàn)相對(duì)海南5個(gè)站點(diǎn)的加速因子等級(jí)和PS自然老化的速率呈現(xiàn)相反的順序。
表5 PS材料的加速-自然老化時(shí)間擬合方程及其相關(guān)性
通過(guò)PS材料在海南濕熱環(huán)境中5個(gè)站點(diǎn)的自然老化老化試驗(yàn),和3種方法氙燈老化試驗(yàn),可以得到以下結(jié)論:
1)基于色差變化的規(guī)律,PS在瓊海和臨高的老化速率最大,在??诘睦匣俾首钚?;
2)采用PV3930標(biāo)準(zhǔn)的氙燈老化試驗(yàn)方法能夠較好的模擬海南濕熱環(huán)境;
3)氙燈老化試驗(yàn)相對(duì)于海南5站點(diǎn)自然老化的加速因子,在??谧畲?,在瓊海和臨高最小,和PS的老化速率呈負(fù)相關(guān)。