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高分子材料在自然环境中的老化失效,严重影响了其在服役过程中的性能和寿命,使各类工程设施及设备过早受到损坏,造成巨大的经济损失。因此,开展高分子材料的老化失效机理和稳定性研究具有重要意义。等规聚丙烯(iPP)在加工、储存和使用的各个阶段都会受到光、热、氧等环境因素作用,发生氧化降解。为了延长iPP材料的使用寿命,需要添加合适的抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂等,提高其在使用过程中的稳定性。本论文以红外光谱(FT-IR)为主要研究手段,结合差示扫描量热(DSC)以及力学性能测试等方法,系统研究了iPP及iPP/助剂复合材料在紫外光、γ-射线、典型气候条件下的微观结构、结晶性能及力学性能的变化,探索抗老化助剂与iPP基体的相互作用机理。取得主要成果如下:
1.通过熔融共混的方法制备了含抗老化助剂的iPP材料,研究了iPP/抗老化助剂体系的紫外光氧化行为。比较了在iPP基体中受阻胺光稳定剂(HALS622)、苯并三唑紫外光吸收剂327和酚类抗氧剂1010的抗光氧老化性能,以及光稳定剂HALS622或紫外光吸收剂327与酚抗氧剂1010联用的抗老化效果。结果表明,iPP中单独加入光稳定剂HALS622、紫外光吸收剂327或抗氧剂1010均能不同程度地提高iPP抗光氧老化性能。光稳定剂HALS622和紫外光吸收剂327的抗光氧老化效果随着其使用含量的增加而增强,其中前者的抗光氧老化性能优于后者:而抗氧剂1010的抗光氧老化效果随着含量增加而变差。受阻胺光稳定剂HALS622与酚类抗氧剂1010联用时,由于受阻胺氧化生成的氮氧自由基与酚抗氧剂氧化生成的酚氧自由基反应,使二者被无用消耗,所以两者在iPP中联用抗老化时表现出负的协同效应。紫外辐照引起的光氧降解使iPP的分子量降低,iPP基体中产生极性基团,使分子链规整度降低;导致iPP的结晶温度和熔融温度下降。而一定含量的光稳定剂HALS622、紫外光吸收剂327或抗氧剂1010的加入,由于降解程度的降低,可以在一定程度上抑制iPP上述物性的变化。
2.采用熔融插层法制备了iPP/有机改性蒙脱土(OMMT)纳米复合材料,探索了OMMT对iPP紫外光氧化行为的影响。一方面,蒙脱土片层上的活性点及烷基铵盐分解生成的H+离子可以吸收iPP分子链上的单电子,促成自由基的形成,加速iPP基体的光氧降解;另一方面,由于蒙脱土对紫外光的屏蔽作用,对iPP的光氧化降解又有减缓作用,这两种作用之间相互竞争。辐照初期,催化光降解作用占主导,促进iPP的光氧化降解;随着辐照时间延长,光屏蔽作用占主导,抑制iPP的光氧化降解。结果,iPP/OMMT纳米复合材料的光氧化速率相比纯iPP先加速后减缓,当OMMT的含量为某一特定值时对iPP稳定化效果最好。
3.研究了纯iPP及iPP/抗老化助剂体系的γ-射线辐照降解行为。考察了γ-射线辐照对iPP结构和结晶行为的影响以及抗老化助剂对iPP基体γ-射线辐照降解的影响。酚类抗氧剂1010和受阻胺类光稳定剂HALS622的加入会加速iPP基体在γ-射线辐照下的氧化降解。由于iPP在γ-射线辐照条件下分子量降低,同时氧化反应使iPP基体中引入极性基团,降低了分子链的规整性;结果,iPP的结晶温度、熔融温度及等温结晶速率均会下降,且这种变化随γ-射线辐照剂量增大变得更加剧烈。在相同的γ-射线辐照剂量下,稳定剂HALS622和酚抗氧剂1010的存在使iPP的结晶和熔融温度降低更加明显。
4.为了更好地理解聚烯烃材料在自然环境中的老化行为,为其在西部地区的应用提供参考依据,我们选择了四个气候有代表性的地点(武汉、尉犁、江津、拉萨),研究了纯iPP、HDPE、LDPE及含有抗老化助剂的上述三种聚烯烃材料在四个地区室外曝晒的老化降解行为。结果表明,纯聚烯烃材料的力学性能随曝晒时间的延长而降低,抗老化助剂的加入能有效的阻止老化对聚烯烃力学性能的破坏。不同曝晒地点由于气候条件不同而表现出对纯聚烯烃材料力学性能不同的影响。拉萨地区对力学性能影响最小,武汉地区影响最大,江津和尉犁地区对材料力学性能的影响介于二者之间。而含有抗老化助剂的各样品,老化地点对老化程度的影响降低,不同地点在相同的老化时间内老化程度基本相似。
通过上述研究,掌握了iPP在不同条件下降解所引起的结构和力学性能的变化,阐明了不能抗老化助剂在提高iPP稳定性方面所起的作用,为制备抗老化的iPP材料提供理论指导。