PVC复合材料的制备及紫外光老化性能探析

  摘 要：PVC的用途广泛，是一种性能优良的合成树脂。但是它的抗紫外光老化性能差的缺点也对PVC材料的使用带来了不利影响，因此，专业技术人员应该加强对PVC材料的抗紫外光老化的研究。本文即从PVC紫外光老化性的机理出发，探究了无机粒子、紫外光抑制剂与PVC组成的复合材料，发现了它们能有效的改善PVC材料的抗紫外光老化性能。

  PVC（聚氯乙烯）是产量仅次于PE和PP的一种重要的合成树脂。它具有很多优点，例如：价格低、抵抗腐蚀能力好、耐磨性好等。因此，它具有广泛的应用。但是，由于在PVC的生产的全部过程中伴随着一系列的副反应，所以，使本来很稳定的PVC长链产生了一些结构上的缺陷，例如：不饱和键、活化氯、支链结构等，正是由于这些缺陷，导致PVC的老化性能和热稳定性能差。

  PVC在紫外光的照射下易发生光降解，产生氯化氢小分子和含有羰基、共轭双键的PVC长链，从而缩短了PVC材料的常规使用的寿命。在光老化中，影响最大的是中波紫外线，它不仅会引起PVC产品的变色，甚至会使PVC产品的机械性能消失。因此，在PVC的发展过程中，对PVC材料的抗紫外光老化的研究一直是个重点。下面就介绍一下PVC在紫外光照射下的老化机理。

  紫外光分为长波紫外光、中波紫外光和短波紫外光，波长分别为：315-400nm、280-315nm和190-280nm。所以，由表1可知，紫外光所占的比例很小。

  由表2可知，稳定的PVC结构对310nm的波长敏感，因此，理论上，它并不能在紫外光的照射下发生光老化。

  但是，上面也讨论过了，在PVC中存在一些结构缺陷，正是由于这些缺陷，使得PVC材料易于吸收太阳光中的紫外光，形成老化。并且，少量的紫外光就能对有缺陷的PVC造成非常大的破坏。

  （2）PVC的光降解机理。在紫外光的照射下，PVC材料内部会发生一定的降解反应，这就是PVC的光降解过程。光降解的根本原因就是PVC长链中的结构缺陷。在此过程中主要有下面两个反应发生：共轭多烯的形成（脱氯化氢）和长链的氧化、交联、断裂反应。据已有研究，Gardette等人提出了相关机理，具体过程如下图所示：

  经过对PVC材料的抗老化的研究，我们得知最有效的方法是加入光稳定剂。按照机理的不同，光稳定剂可大致分为光屏蔽剂、紫外光吸收剂、激发态猝灭剂和自由基捕获剂四种。前三种光稳定剂是通过抑制PVC对紫外线的吸收而发挥作用；而自由基捕获剂是通过捕捉过程中产生的自由基，来使老化过程终止而发挥作用。

  上述光稳定剂的研究体系已经很完善了，但是还是存在下列一些缺点：（1）光屏蔽剂仅能应用于不透明的物质中，这是由于它的遮光性和着色性；（2）光屏蔽性在PVC中的分散不均匀，影响力学性能；（3）光稳定剂会与其他物质发生反应，不能确保抗老化效果被充分的发挥；（4）光稳定剂在加工和使用的过程中易发生挥发、迁移、渗出等而流失。

  针对以上问题，目前国内外主要在高分子量化、多功能化和聚合物键合化等多方面深入研究光稳定剂。

  虽然一些加工助剂可提升PVC材料的稳定性，但是通过加工助剂改善的PVC材料存在力学性能不好、易渗漏、变色等缺陷。因此，能够最终靠其他方法来改善PVC的性能，例如：加入无机粒子或者紫外光抑制剂。

  无机粒子的加入不仅能提高力学性能，而且能大大的降低成本，提高光稳定性。下面讨论三种PVC与无机粒子的复合材料，三种无机粒子分别是：碳酸钙、二氧化硅和活化的碳酸钙，通过熔融共混和热压制备出了三种PVC的复合材料。并且，经过研究得出了下列结论：

  （1）无机粒子能有效的改善PVC的抗老化性能。无机粒子的加入之所以能改善PVC的抗老化性能，加入无机粒子后，复合材料的表观颜色-白度保持率为70%时的老化时间（D1）和保持率为60%时的老化时间（D2）均有所增加：当加入5份二氧化硅时，D1增加了82.84%，D2增加了56.96%；当加入16份碳酸钙时，D1提高了63.92%，D2提高了62.71%；当加入16份活化碳酸钙时，D1提高了77.41%，D2提高了64.62%。

  （2）无机粒子提高了PVC材料的力学性能。无机粒子的加入有效的提高了材料的力学性能，拉伸性能、冲击强度和断裂伸长率都得到了明显的提高。并且随着无机粒子的加入量的不同，复合材料的冲击强度和断裂伸长率变化显著。例如：当二氧化硅的份数为3-4的时候，复合材料的冲击强度提高60.09%，断裂伸长率提高9.24%，达到最大；当碳酸钙的份数为12的时候，材料的冲击强度提高16.3%，达到最大；当活化碳酸钙的份数为12的时候，材料的冲击强度变化最大，提高了19.29%。