聚碳酸酯(PC)是一種常用的工程塑料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)性能。PC在加工、貯存和應(yīng)用中都會與空氣接觸，外部環(huán)境極易對其結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響，使得材料發(fā)生不同程度的老化，影響其性能和服役壽命。

因此，本文基于高分子材料的老化動力學(xué)模型k=f(I)·f(H)·f(T)，式中f(I)為輻照對材料損傷的函數(shù)描述，f(H)為濕度對材料損傷的函數(shù)描述，f(T)為溫度對材料損傷的函數(shù)描述，老化速率k是基于材料對光照強度、溫度、濕度的函數(shù)關(guān)系，研究了輻照強度對聚碳酸酯材料光氧老化進程的影響。

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試驗方案

1.1 樣品制備

將聚碳酸酯樹脂與抗氧劑、耐候劑在高混機內(nèi)混合均勻，經(jīng)擠出機擠出造粒(加工溫度設(shè)定為260℃,主機螺桿轉(zhuǎn)速450r/min，喂料量固定為30kg/h)，烘干后注塑(注射溫度230～320℃)成70mm×70mm×2mm規(guī)格的色板，樣品和成分見表1。

表 1 實驗樣品和成分

1.2 氙燈老化表征

將材料置于氙燈老化箱進行老化測試，主要條件見表2。

表 2 實驗方法及條件

圖1 國高材分析測試中心氙燈老化箱

1.3 黃變值測試

老化前后對樣品按GB/T 3979—2008進行顏色測量，進行黃變值Δb計算。光度計孔徑選擇25mm，光源選擇D65，漫反射角度8°，觀察角度為10°，包含鏡面光(SCI)，老化前后試樣的顏色測試時均采用同一白色標(biāo)準(zhǔn)板作為背景進行測試。

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結(jié)果與討論

2.1 輻照度響應(yīng)指數(shù)計算

將聚碳酸酯各試樣分別暴露在表2所示的實驗條件下，分別得到各試樣在0.4、0.6、0.8W/m^2輻照條件下的黃變數(shù)據(jù)，詳見圖2所示，不同輻照度數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出一致的趨勢。

圖2  各試樣暴露在 0. 4 、0. 6 、0. 8 W / m2

輻照條件下的 Δb 數(shù)據(jù)

對時間坐標(biāo)施加位移因子(如表3所示)，將不同輻照度數(shù)據(jù)疊加到一條主曲線上，如圖2所示。

表 3 PC 各配方樣品的遷移因子數(shù)據(jù)

從圖2可以看出，數(shù)據(jù)具有很好的疊加性，位移因子可以作為相對于0.8W/m²輻照度下的老化速率。各配方試樣的所有數(shù)據(jù)詳見表3。

根據(jù)老化動力學(xué)模型k=f(I)·f(H)·f(T)。其中，f(I)為輻照對材料損傷的函數(shù)描述:f(I)=a·Im·Δt，式中:a為有效輻照系數(shù)，I為輻照強度，m為輻照強度指數(shù)，Δt為輻照時間。

基于上述老化模型，保持溫度和相對濕度參數(shù)不變，加速因子模型可以簡化為:AF=k₂/k₁=(I₂/I₁)^m，式中:AF為相對速率，k₁、k₂分別為老化速率，I₁、I₂分別為輻照強度1、輻照強度2。

通過對相對速率AF取對數(shù)，可得公式:ln(AF)=mlnI。

根據(jù)公式，對lnI及l(fā)n(AF)進行計算，詳見表4，以lnI為橫坐標(biāo)，ln(AF)為縱坐標(biāo)作曲線，詳見圖3所示。

表 4 PC 各樣品不同輻照強度下的相對速率

圖 3 PC-1～PC-4 試樣相對速率-輻照度曲線

從圖3可以看出，不同配方PC樣品相對速率及輻照度取對數(shù)后呈現(xiàn)良好的線性，線性相關(guān)系數(shù)均處于99.0%以上。通過曲線斜率即可得出輻照度響應(yīng)指數(shù)，詳見表5所示。

表 5 PC 各樣品的曲線斜率、相關(guān)系數(shù)及輻照度響應(yīng)指數(shù)

純聚碳酸酯樹脂的輻照度響應(yīng)指數(shù)約為1.29，而抗氧劑、紫外吸收劑、光穩(wěn)定劑的添加會顯著降低材料的輻照度響應(yīng)指數(shù)，但抗氧劑、紫外吸收劑以及光穩(wěn)定劑的種類差異對材料輻照度響應(yīng)指數(shù)的影響相對較小，PC-4的輻照度響應(yīng)指數(shù)較純聚碳酸酯PC-1下降25.6%，而添加不同耐候劑種類的聚碳酸酯PC-4較PC-2下降7.7%。

2.2 基于輻照度強度指數(shù)加速因子計算

在老化過程中，不改變溫度、相對濕度的前提下，根據(jù)簡化加速因子模型公式：AF=k₂/k₁=(I₂/I₁)^m，可以分別計算不同輻照度下的加速因子，以0.9W/m²為基準(zhǔn)老化輻照度為例，可推算出聚碳酸酯純化單體以及添加不同耐候劑體系材料在其他老化輻照度下的老化加速因子，詳見表6所示。對于聚碳酸酯材料而言，在光老化過程中保持溫度、相對濕度不變，通過改變輻照強度可以提高老化速率，輻照度提升40%，可以實現(xiàn)1.38～1.54倍的加速，輻照度提升80%，可以實現(xiàn)1.76～2.13倍的加速。

表 6 PC 各配方樣品不同輻照度下的加速因子

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結(jié)論

本文基于老化動力學(xué)模型重點研究了光照過程中輻照強度對聚碳酸酯材料光老化進程的影響，基于老化動力學(xué)模型，通過計算獲得不同耐候體系聚碳酸酯材料的輻照度響應(yīng)指數(shù)區(qū)間為0.96～1.29。抗氧劑、紫外吸收劑及光穩(wěn)定劑的添加會提升材料的輻照度響應(yīng)指數(shù)，但添加比例對輻照度響應(yīng)指數(shù)的影響較小。在光老化過程中，在保持溫度、相對濕度不變的前提下，通過提升輻照強度可以提高老化速率：輻照度提升40%，可以實現(xiàn)1.38～1.54倍的加速;輻照度提升80%，可以實現(xiàn)1.76～2.13倍的加速。

* 本文為國高材分析測試中心原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請注明出處。

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