聚乙烯复合材料耐老化性能的研究.doc

聚乙烯复合材料耐老化性能的研究第38卷第l0期2010年10月林业机械与木工设备Vol38No.10FORESTRYMACHINERY&WOODWORKINGEQUIPMENTOct.2010废弃牛奶盒/聚乙烯复合材料耐老化性能的研究李晶晶-,李大纲,郭勇,吴正元(1.南京林业大学木材工业学院,江苏南京210037;2.南京聚丰新材料有限公司,江苏南京210042)摘要:对放置在阳光曝晒环境,户外自然干湿环境和氙灯耐气候老化箱三种环境中进行老化实验的废弃牛奶盒/聚乙烯复合材料的颜色变化和抗弯性能进行了研究,结果表明:材料在三种环境下都发生了褪色,影响了材料的美感和顾客的喜好程度;氙灯耐气候老化箱对材料的颜色变化影响最大,其次是阳光曝晒环境,最后是户外自然干湿环境;在阳光曝晒环境和户外环境中放置6个月后,材料的弹性模量和抗弯强度均呈现出先下降后又上升的趋势,而在氙灯环境中放置1500h后,其弹性模量和抗弯强度明显下降.关键词:废弃牛奶盒,聚乙烯复合材料;阳光曝晒环境;户外自然干湿环境;抗弯性能中图分类号:TS612文献标识码:A文章编号:10014462(2010)10003704StudyonAnti-agingPropertiesofRecycledMilk-cartons/PECompositeLIJing-jing,LIDa-gang,GUOYong,WUZheng-yuan2(1.WoodIndustryCollege,NamingForestryUniversity,NanjingJiangsu210037,China;2.NanjingJufengNewMaterialCo.,Ltd.,NanjingJiangsu210042,China)Abstract:Thecolorchangeandbendingpropertiesofrecycledmilk-eartons/PEcompositeputinthestrongsunlightenvironment,dryandwetoutdoorenvironment.andaxenonlampagingchamberforantiagingexperimentsarestudied.Theresuhshows:Thesurfacecolorofthematerialfadesintheabovethreeenvironments,whichaffectstheappearanceandcustomersprerence;Thexenonlampagingchamberhasthemostnoticeableeffectoncolorchange.thestrongsunlightenvironmentcomessecondandthedryandwetenvironmenthastheleasteffect;rheMOEandMORinitiallyshowadownwardtrendandthenallupwardfiendafterbeingplacedinthestrongsunlightenvironmentandthedryandwetoutdoorenvironmentforsixmonths;TheMOEandMORdecreasedramaticallyafterbeingputinthexenonlampagingchamberfor1500h.Keywords:recycledmilk-cartons/PEcomposite;strongsunlightenvironment;dryandwetoutdoorenvironment;xenonlamp;bendingproperty利乐”砖形包”和”枕形包”是人们常见的牛奶和饮收稿日期:20100612基金项目:国家自然科学基金项目(30871968)?-.-.+-一_.-.-+-.it.-?-.-+-.-一能够被更多缺少专业经验的人所接受,并将进一步向“傻瓜”化方向发展.参考文献:1卫绍元.数据流功能在电控汽车故障诊断中的应用J.汽车技术,2000(8):3334.2阎平凡,张长水.人工神经网络与模拟进化计算M3.北京:清华大学出版社,2001.3WangJun,ZhuLi,caiZhihua,eta1.TrainingRBFNetworkwithAnExtendedKalmanfilterOptimizedUsingFuzzyLogiJ.In:料纸包装,可谓是适度包装的经典之作l1.随着利乐无菌包装产品消费量的增加,消费产生的废弃利乐包数量也与13俱增,造成的环境污染也越来越严重.利乐无一?.-.-Z.Shi,ShimoharaK.,FengD.IFIPIntelligentInformationProcessing.Boston:Springer.2006:317326.4邯郸北方学校汽车电子技术研究所.大众车系故障码和数据流分析手册M.北京:机械工业出版社,2003.作者简介:郭秀丽(1974一),女,东北林业大学博士生,主要研究方向为交通运输工程,车辆工程,Email:;陆怀民,东北林业大学机电工程学院教授,博士生导师.Email:luhuaimin3672sina.eom38林业机械与木工设备第38卷菌包一般由纸,塑料和铝箔材料复合而成,其中长纤维优质纸浆,塑料和铝的含量分别为75%,20%和5%t21,因此将废弃包装直接粉碎和挤塑成型为木塑新材料有重要的环保意义和市场价值.在塑胶原料中加入切碎的利乐包材,能有效提升物料的硬度,耐用性及强度等特性,但在阳光雨水交替变化的环境中会导致木塑复合材料的老化,造成颜色变化和力学性能降低等缺陷,影响材料的美观和使用性能,从而影响了其耐久性3.本文对该新型木塑复合材料在阳光曝晒环境,户外自然干湿环境和氙灯耐气候老化试验箱三种不同环境中的褪色情况和抗弯性能的变化等进行研究.1试验材料制备试样通过两步法生产,第一步是将回收的牛奶盒打碎,然后与回收的聚乙烯(PE)以及添加一定比例的分散剂,界面处理剂等充分搅拌混合,通过双螺杆挤出机造粒;第二步是将颗粒状的原料抽真空后注入单螺杆挤出机,利用热塑性塑料在高温下熔融流动的原理挤出成型.2试验方法及结果分析2.1试验方法将试验材料做成一定的尺寸,放置在阳光曝晒环境,户外自然干湿环境和氙灯耐气候老化试验箱三种不同环境中.对阳光曝晒环境和户外自然干湿环境,从八月份开始,经历6个月夏秋冬三个季节的变化,每隔五天测试材料颜色的变化情况,每隔一个月测试其弯曲强度的变化.对于氙灯耐气候老化试验箱环境,根据IS04892”2氙灯暴露试验的方法,设定暴晒的循环为2h,其中108min为氙灯照射,接下来的12rain进行连续喷水加氙灯照射,照射持续1500h,每隔120h测定一次材料的颜色变化,每隔240h测定一次材料抗弯强度的变化.试验采用CIE(1976)标准色度系统的I木,a,b值来表征材料的颜色,根据色差AE*和明度V的变化来表征材料的褪色情况.2.2试验仪器试验仪器有色差计(日本KONICAMINOLTACR一10),氙灯耐气候老化试验箱和万能力学试验机(深圳新三思公司生产,型号为CMT4202)2.3试验结果及分析2.3.1老化对材料颜色的影响木塑复合材料在户外使用时,人们最关心的是其紫外线耐久性.木粉的加入加速了制品的光降解,现已发现对木塑复合制品进行加速耐候试验后,制品会出现褪色和性能变差现象,其中性能变差的原因有表面氧化,基体结晶性能变化以及吸湿后制品界面降解等.从图1可以看出,该新型木塑复合材料在阳光曝晒环境,户外自然干湿环境中放置6个月后,在阳光曝晒环境中L牛值的变化要比在户外自然干湿环境中值的变化明显,材料变黄变白,说明紫外线对该材料的颜色有显着的影响.在阳光曝晒环境中材料的L木值呈现出先增大后减小的规律而后趋于平稳,这是因为前两个月,正值南京的八九月份,太阳光强度很大,所以对材料的影响也很大,使得材料急剧发白,但从十月份开始经常出现下雨天气,所以又使得材料的白度下降;而在氙灯耐气候老化试验箱中放置1500h后,材料的白度L芈值发生了显着的变化.在试验开始240h后,放在氙灯耐气候老化试验箱中的材料的值增加了22.1;而在阳光曝晒环境中放置180天后,材料的值变化为9.4,在户外自然干湿环境中放置180天后,材料的I木值变化为一3.2,说明氙灯加速老化对材料的颜色变化有显着影响.Falkt卅等(2002)研究认为,uV加速老化试验最初的700h对颜色变化的作用最关键;而Starketa1.研究认为在老化过程中始终发生褪色.王伟宏哺在研究稻壳/聚乙烯的自然老化与紫外线加速老化时也发现自然老化试件在气温较低和日照时间较短的前5个月内(冬季)颜色基本没有变化,但经历盛夏之后颜色发生显着变化,且变化幅度与实验室加速老化1500h.髫的结果相当._lI:一皿时I司/大一阳光曝晒一户外自然干湿环境+氙灯照射图1材料在三种环境中L女值的变化从图2可以看出,在阳光曝晒环境和户外自然干湿环境中放置180天后,材料的a:lc值在前两个月呈现显着的下降趋势,而后的4个月又呈现出增加的趋势,说明材料在前两个月受到强烈的阳光影响有变红的趋势,而后四个月因为阴雨的影响又有变绿的趋势.在氙灯耐气候老化试验箱中,材料的a值也是在刚开始试验的120h内出现明显的下降趋势,而后又出现小幅的上升趋势.从图3可以看出,在阳光曝晒环境和户外自然干湿环境中放置180天后,材料的b乖值在户外自然干湿第10期李晶晶,等:废弃牛奶盒/聚乙烯复合材料耐老化性能的研究39O一1m蒿一2坦一3手芒一4蝾一5耋疆:一阳光曝晒-_户外自然干湿环境一氙灯照射图3材料在三种环境中b值的变化环境中呈现出显着的上升趋势,说明有变黄的趋势,而在阳光曝晒环境中变化不明显.在氙灯耐气候老化试验箱中,材料的的b值在前120h内有很明显的下降,由正值变为负值,而后又有比较平缓的上升趋势.但总体来说,材料在氙灯耐气候老化试验箱中的a值和b值的变化幅度要明显地大于在阳光曝晒环境和户外自然干湿环境中的的变化幅度.图4显示了材料在三种环境中的E值的变化规律,可以看出材料在氙灯耐气候老化试验箱中经历1500h后颜色的变化要远远大于在自然环境中经历180天后的颜色变化.根据色差与视觉的关系,试验结束后,材料在阳光曝晒环境下的E值为9.48,颜色变化等级为大,在户外自然干湿环境中的AE*值为4.43,颜色变化等级为可识别,说明阳光对于该材料的影响更明显,而在氙灯耐气候老化试验箱中的AE*值为31.8,颜色变化非常大,这是因为在开发该材料的过程中没有添加抗氧化剂的缘故.其表明对人的视觉感受影响非常大,严重影响了产品外观和顾客对其的喜好程度.时间/天一阳光曝晒一户外自然干湿环境一氙灯照射图4材料在三种环境中AE*值的变化对于阳光曝晒环境和户外自然干湿环境,强烈的日光照射和雨水冲刷都是使材料褪色及色调变化的原因.而在实验室uv加速老化过程中,凝露主要是模拟夜晚无光照,气温下降的状况,虽然不能完全模拟雨水作用的结果,但说明潮湿对试件也会带来一定的影响E9.木塑复合材料在环境作用下发生的褪色和黄变过程可分为两个阶段:第一阶段为木塑复合材料的木质成分中木质素在uv照射下,前250h氧化产生大量对苯醌生色基团;第二阶段为对苯醌结构的减少及具有光致褪色能力的对苯二酚的生成.另外,水的存在加重了WPC的褪色1,表明褪色现象是不同环境因素综合作用的结果.为了减少紫外光降解及提高WPC制品的光稳定性,普遍采用的是添加光稳定剂的方式.2.3.2老化对材料抗弯性能的影响从图5可以看出,该新型木塑复合材料在阳光曝晒环境和户外自然干湿环境中放置6个月后,弹性模量和抗弯强度都随时间的推移呈现出先下降而后又有所上升的趋势,只是变化的幅度不尽相同.从表1可以看出,材料在阳光环境中放置6个月后,弹性模量和抗弯强度分别下降了33.78%和8.67%,而在户外自然干湿环境中放置6个月后,弹性模量和抗弯强度则分别下降了19.23%和10.49%,表明户外自然干湿环境比阳光曝晒环境对材料力学强度的影响更大12-13.120j;L100艇80耋6.0主丑20器0时间/天一阳光曝晒l_户外自然干湿环境一氙灯照射图5材料在三种环境中的弹性模量保留率料舳憩静时间/天一阳光曝晒一户外自然干湿环境+氙灯照射图6材料在三种环境中的抗弯强度保留率表1材料在三种环境中老化试验结束后的抗弯性能参数原始弹性原始抗弯剩余弹性剩余抗弯弹性模量抗弯强度环境模量Pa强度/MPa/MPa强度/P保留率/%保留率/%阳光曝晒2380.8918.111576.5716.5466.2291.33户外自然干湿2380.8918.111923.1416.2180.7789.5l氙灯耐气候老化箱2380.8918.111311.0l15.3055o6844840林业机械与木工设备第38卷与材料自然老化后的抗弯性能相比,材料在氙灯耐气候老化试验箱中放置1500h后,经过Uv光和水分的交替作用,弹性模量和抗弯强度也都发生了明显的下降,只是下降的幅度不尽相同.材料在刚开始试验的240h内,弹性模量和抗弯强度下降的幅度较大,而后的下降趋势则比较平缓.同时还发现,材料在氙灯耐气候老化试验箱中试验1500h后的弹性模量和抗弯强度的保留率与在阳光曝晒环境和户外自然干湿环境中放置6个月后的弹性模量和抗弯强度保留率相当.关于uv老化对木塑复合材料力学性能的影响,研究结论也不尽相同,Lundint”认为最初的1000h力学性能下降幅度最大,而Starketa1.t认为在1000h以后力学性能才明显下降,本次研究的结论与Lundin的研究结论相符.在试验末期,抗弯强度的下降幅度不超过6%,弹性模量不超过9%,说明老化对弹性模量的影响稍大一些.力学性能下降幅度还没有达到显着的程度,与Lundin(2001)和Stark等(2004)的研究有所差别.StarkN.ME51研究老化周期对HDPE木塑复合材料性质的影响时,根据ASTMD2565将样品放在氙灯老化箱中,每个老化周期包括108rain的UV辐射和12min的uV辐射同时加水喷淋.发现与仅仅暴露在辐射条件下相比,暴露在辐射和喷水条件下的木塑复合材料表现出更多的褪色,弹性模量和强度的变化也更显着.这些研究表明,木粉填充复合物老化后大部分机械性能的损失是由湿度造成的,水的存在加速了氧化反应并使亲水性木细胞膨胀,木细胞膨胀使光线更易穿透;同时水冲走了表面的降解层和自然木质抽出物,使得水更容易侵袭;另外,吸收水加速氧化,木细胞膨胀使木粉和PE间界面结合变差,导致强度下降.3小结废弃牛奶盒,聚乙烯复合材料在三种环境中都发生了褪色现象.其中,在阳光曝晒环境和自然干湿环境中放置6个月后的颜色变化等级为大和可识别,而在氙灯耐气候老化箱中放置1500h后的颜色变化等级为非常大,严重影响了材料的美感和顾客对其的喜好程度.三种环境中氙灯耐气候老化箱对材料的颜色变化影响最大,其次是阳光曝晒环境,最后是户外自然干湿环境.在阳光曝晒环境和户外自然干湿环境中放置6个月后,材料的弹性模量和抗弯强度都随着时间的推移呈现出先下降后又有所上升的趋势,且户外自然干湿环境比阳光曝晒环境对材料的抗弯性能影响更大;材料在氙灯耐气候老化试验箱中放置1500h后,弹性模量和抗弯强度都发生了明显下降,弹性模量和抗弯强度的保留率相当于在阳光曝晒环境和户外自然干湿环境中放置6个月后的弹性模量和抗弯强度保留率.参考文献:1范芳娟.利乐包回收系统的研究及设计D.硕士学位论文,杨凌:西北农林科技大学,2007.2利乐包循环经济的支点J.周末画报,2006(404):1819.3石光,秦炜,林少全,等.木塑复合材料老化性能研究进展J.包装工程,2009,30(1):120123.4LundinTMSThesis.Effectofacceleratedweatheringonthephysicalandmechanicalpropertiesofnatural-fiberthermoplasticcompositesD.UniversityofWisconsinMadison,Madsin,WI,20o1.5MatuanaLM,KamdemDP.AcceleratedultravioletweatheringofPVC/woodflourcompositesJ.Polym-engSci.2002,42(8):1657-1666.【6FalkRH,LundinT,FeltonC.Acceleratedweatheringofnaturalfiber-thermoplasticcomposites:effectsofultravioletexposureonbendingstrengthandstiffness.ProceedingsSixthinternationalConferenceonw00dfiberHasticCompositesJ.ForestProductsSociety,Madison,WI,87-93.7STARKNM,MATUANALM.UltravioletWeatheringofPhotoStabilizedWoodFlour-FilledHish-DensityPolyethyleneCompositesJ.JournalofAppliedPolymerScience,2003,90(10):26092617.8王伟宏,王清文,张征明.稻壳,聚乙烯