聚丙烯非织造布按耐用性能分为耐久性非织造布(如服饰用、土木建筑用)和环保可降解性非织造布(如环保型购物袋、农用非织造布地膜等)。聚丙烯非织造布在使用过程中发生的老化主要由太阳光中的紫外线辐射所引起,对聚丙烯非织造布光老化性能的宏观评价方法有自然老化试验法和人工模拟老化实验法,微观分析方法有特性粘度法、差示扫描量热法、红外光谱法等,本文将对聚丙烯非织造布光老化的反应机理及其宏观和微观评价方法进行讨论。
一、聚丙烯光老化反应机理:
自上世纪80年代开始,众多学者对聚丙烯的耐老化性能进行了广泛而深入的研究,发现聚丙烯的老化主要与大分子链上大量存在的叔碳原子有关,由于叔碳原子具有较强的失电子能力,在有氧的情况下仅需很小的能量就可以使C—H键断裂,形成活泼的叔碳自由基,在受到与聚丙烯中化学键键能相对应的紫外光能量的作用后,引起分子链各种反应发生,如链增长、链断裂等,最后表现为聚丙烯材料的变色、强度下降、表面龟裂等老化现象。
太阳光中部分波长的紫外光能量与聚丙烯分子中某些化学键键能十分接近,所以聚丙烯中的相应化学键可以吸收紫外线能量,导致化学键的断裂,从而引发光老化。
Gardette等对聚丙烯光老化的反应机理作了总结,其反应机理为:活泼的叔碳原子在吸收了紫外光能量后,与空气中的O2发生氧化反应生成过氧化物,然后继续在紫外光能量的作用下进一步发生链增长、链断裂、链终止以及形成支链等反应,最后表现为宏观上的老化行为;不论聚丙烯光老化向什么方向进行,其最终产物中均有羰基的存在,所以很多研究人员采用羰基指数来表征聚丙烯光老化程度。这些研究成果为如何评价与衡量聚丙烯非织造布的光老化性能提供了一种新的思路,即通过各种手段分析光老化过程中的微观变化评价其光老化性能,现代化的分析仪器可提供更加稳定可靠的数据,使评价结果更加准确可靠。
二、聚丙烯非织造布光老化性能的宏观评价方法:
聚丙烯非织造布光老化性能的现有宏观测试评价方法和标准主要分为自然老化和人工加速老化两种方式。
1.自然老化
自然老化评价方法是把样品在室外自然条件下暴露规定的时间,利用自然环境条件,包括日光、昼夜温差、雨水以及空气等对其进行老化试验,评价其光学性能、机械性能及其他相关性能的变化。自然老化试验接近于材料的实际使用情况,获得的耐候性能比较可靠。
目前,我国聚丙烯非织造布的自然老化性能测试标准主要采用GB/T 3681—2011《塑料 自然日光气候老化、玻璃过滤后日光气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法》,标准中有三种环境条件,可以根据实际的使用情况选择实验条件,有一定的针对性,但具有太多的不稳定因素,如气候变化、地理位置差异等,且时间较长。
由于自然老化试验中的自然环境条件是不可控的,试验的重现性和一致性很难保证,所以这种方法多用在特殊用途的特定产品上,且通常在其对应的实际使用地点附近进行测试,如大型工程项目使用的耐久性土工布、特定环境使用的可降解型非织造布等。
2.人工加速老化
人工加速老化评价方法是采用实验室光源(氙弧灯、荧光紫外灯或开放式碳弧灯模拟材料使用条件,使样品在可控的温湿度条件下暴露规定时间后,评价其光学性能、机械性能及其他相关性能的变化。
现在我国聚丙烯非织造布的人工加速老化性能测试标准主要有GB/T 16422《塑料 实验室光源暴露试验方法》系列标准,即等同采用ISO 4892《Plastics--Methods of exposure to laboratory light sources》系列标准。标准以“加速”和“强化”为特点,标准总则中明确说明试验的结果仅能够用于某一环境下暴露材料相对耐久性的比较,不能用于判定相同材料在不同环境下的相对耐久性,故测试其光老化性能时通常根据产品使用者的要求设定实验条件与试验周期,并采用与对照样品的性能进行对比的方式对产品性能进行衡量。GB/T 16422系列标准中包括了氙弧灯、荧光紫外灯以及开放式碳弧灯加速老化三种试验方法,可以模拟多种使用条件下的光照条件,且条件可控、时间更短、重现性和一致性更为可靠,适用于大多数产品。
自然老化和人工加速老化评价方法各有优缺点:自然老化试验更加接近实际使用情况,对于特定用途的产品光老化性能评价较为可靠;人工加速老化试验条件可控,可以实现在不同时间对多种产品的光老化性能进行对比,结果具有较好的重现性和再现性。由于试验条件不同,对同一样品的自然老化结果和人工加速老化结果不具有可比性。
三、聚丙烯非织造布光老化性能的微观评价方法:
非织造布光老化性能的宏观变化与材料的微观结构变化密切相关,如相对分子质量的变化和新官能团的产生,都会最终表现为其物理性能的变化,光老化的微观结构变化可通过特性粘度、差式扫描量热(DSC)曲线、红外光谱等方式来评价。
1.特性粘度