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集裝袋老化的原因及抗老化試驗
發布時間:2015/5/18 16:32:07   來自:武漢噸袋網   點擊:

 1.   太陽光的紫外光譜 

    由于太陽輻射至地球大氣外層的陽光是一個連續的能量光譜,其波長范圍為0.7nm至約3000nm。穿過大氣層后,部分長波輻射被水蒸汽和二氧化碳吸收。最后,只有紅外輻射的短波部分達到地區表面。
    波長小于175nm的短波紫外輻射被高于地球表面100公里的大氣層中的氧所吸收,而175nm-290nm的輻射則為同溫層臭氧所吸收。臭氧層的最低平均緯度為海拔15公里,在海拔25-30公里外密度最大。被臭氧層吸收后所剩余的太陽光中的紫外部分,即波長為290-400nm的輻射,可引發戶外塑料的降解。
    除了考慮臭氧層吸收后還剩余的部分紫外線輻射外,大氣中的空氣分子和氣溶膠粒子(水、液滴、塵埃)對日光的散射作用也是不能忽視的。因此,引起塑料老化的輻射,即達到地球表面的輻射,應包括直接的陽光(太陽輻射)和散射光(空間輻射)兩部分。
    研究發現,盡管在陰天,太陽的直接輻射由于被云層吸收而減少,但總輻射中的紫外部分則有可能由于易于達到地球表面的短波長散射的增加而增加。這個問題近來已引起了人們的注意。業已發現,從積聚云側面的散射可使太陽總輻射增高20%,此值高于中午太陽的最大直接輻射。
    按一級近似,總輻射的強度及光譜分布是太陽位置的函數,當然,是隨每天的時刻及季節而變化的。實際上,太陽的位置決定了光必須穿過空氣層的厚度,因而也決定了光被吸收的情況。表1所示說明了垂直入射光的整體輻射強度??梢钥闯?,引起高聚物降解的輻射能量僅為總輻射的6%。
 
    如上面所提及的,波長175-290nm間的紫外輻射能為大氣臭氧層所吸收。因臭氧層隨季節及地區而異,所以短波被吸收的量,短波輻射的強度,于地理位置及季節非常有關。計算所得的波長297.5nm的輻射強度隨緯度及季節的變化如圖1所示,該計算是根據當天太陽所處最高位置對垂直于直接輻射方向的平面進行的。在赤道處,輻射強度隨季節的變化甚少,而在北緯50°處,這種變化可達3個數量級。
 
    除了紫外輻射外,還必須考慮不同氣候地區溫度和濕度的差異。事實上,熱氧化降解相對于光氧化降解的重要性,隨溫度的增高而逐漸位居主導地位,且在一般情況下,熱氧化降解總是與光氧化降解重疊的。而水也會參與到某些顏料(如TiO2)的光化學反應或發生水解或萃取,影響高聚物的降解過程。
    考慮到大氣的光學性質,由于人類活動造成的各種影響也是應當注意的。一方面,光化學反應導致形成多種氧化劑(煙霧),特別是對流層中的臭氧。另一方面,人類活動也可干擾同溫層臭氧的水平,因而使到達地面的短波紫外線增加。同溫層臭氧損耗對聚合物光降解的可能作用,正日益引起人們的關注。
2.光氧化
    聚合物被光輻照時,由于聚合物內的吸收官能團被激化,于是產生自由基和氫過氧化物,進而引發鏈降解。(定義)
    圖3比較了LDPE和PP對光氧化的光譜敏感性。該圖所示的數據含能量已歸一化為1MJ·m-2。由圖可以看出,波長小于330nm時,PP比LDPE敏感;但波長大于330nm時,LDPE比PP敏感。知道了這點,就能理解,為什么國際集裝袋標準中采用UVB的光源對PP編織布進行人工加速老化測試的科學性了。
圖3 LDPE和PP對光譜敏感性
(43000px-1處測定的吸收)
 
    由于PP對紫外輻射特別敏感,因此PP的任何應用必須考慮到這一問題。用于室內或室外的PP制品,均必須考慮光穩定化。未經光穩定化的PP在室外曝光時,失去光澤,表面開裂,顏色不再鮮艷,且力學性能下降。當然,即使經光穩定化的PP,也會產生上述現象,但要經過較長時間才發生。大部分集裝袋雖然是短期周轉使用,但裝載的貨物通常在一噸以上,而且堆放、運輸大都發生在戶外,如果不經光穩定,PP編織布或起吊部件發生明顯的強度下降,將會產生巨大的安全隱患。
3.人工老化
    經過多年的研究發展,國際上對人工加速老化已形成了完善的檢測手段。老化裝置一般是一個實驗小室,裝有空氣循環設備,和老化光源。采用調控手段,使實驗室內溫度保持恒定。選擇適當的程序,對試樣可以噴水,或者交替循環曝光。常用的光源有氙燈、炭弧燈和熒光紫外燈。與日光相比,炭弧燈在波長290-400nm范圍內的強度過高,現已不太采用。目前國際上比較通用的是Q-Panel公司的QUV、QSUN,和Atlas公司的Weather Omester、UV2000。
    光輻射的國際劃分標準如表2。與日光比較,UV-A輻射不含短波長的紫外光,而UV-B輻射所含紫外光的波長已足夠短。
表2 光輻射的國際劃分標準
 
4.自然老化 
    發達國家在塑料制品的防老化研究上,有一套非常完整的研究體系。在全球有氣候代表性的地方都有自然曝曬場,專門致力于制品的戶外老化研究。戶外老化時,試樣通常是固定的,但當采用所謂EMMA或EMMAQUA裝置時,試樣是隨太陽移動,以保證最好地曝光。通過用鏡面將入射光聚集,可實現加速戶外老化。
    由于紫外光的強度隨季節變化,因而聚合物的光氧化降解,與季節十分有關。所以戶外老化開始的時間對實驗結果會很有影響,特別是對那些壽命短的制品更是如此。由于這個原因,實驗報告單中應注明老化曝光開始日期。 
表3 世界上戶外老化曝曬地點的光能量(面南,45度角)
*附注:1Kly=1Kcal/cm2=4.184KJ/cm2=697.3W/m2
5.顏料對老化的影響 
    在評價塑料耐老化性時,顏料可能會在幾個方面影響塑料的光穩定性。有的顏料可以作為一種敏化劑,大幅度降低含紫外穩定劑的塑料的光穩定性,比如某些有機黃和有機紅。
   一些其他顏料,如酞菁藍和酞菁綠,可使厚斷面構件的紫外線穩定性大為提高,特別是對光穩定化的樣品。某些顏料可能具有紫外線吸收劑的作用,阻止有害的輻射達到塑料的深層。
    顏料還能強烈影響塑料曝光時的溫度。例如,曝光塑料的表面溫度與塑料所吸收的輻照強度、環境溫度及空氣流動情況有關。表5所示是PVC曝光時表面溫度與顏料的關系。因為一般說來,氧化反應與溫度非常有關,所以黑色塑料會加速氧化。
    不過,塑料表面溫度也不是只取決于顏料。塑料的性質對其表面溫度也有明顯影響,這可由表5看出。白色塑料與黑色塑料表面溫度的差別,PMMA就遠沒有PVC那樣大。其原因是PMMA對紅外輻射的吸收比PVC高得多。
表4及表5中得塑料表面溫度值并不代表上限。即使在溫帶區,測得的黑色塑料表面的溫度也可高于60℃。在熱帶,因為曝光時間長和空氣溫度高,黑色塑料曝光時的溫度可高達80℃。在不利的環境條件下,例如當空氣通風不好時,甚至可達90℃。
 
表4 含不同顏料的PVC試樣曝光時的表面溫度
 
注:無云天氣,陽光下室外溫度39℃,黑板溫度51℃,北緯51.6°,時間為12:00-14:00。
表5 不同塑料曝光時的表面溫度
 
注:室外曝曬,空氣溫度37℃,黑板溫度50℃。
    由上文可知,集裝袋的老化主要是由紫外線引起的,同時,也受到溫度的影響。此外,不同地區,不同年份的氣候差異也會給集裝袋制品的使用時間增加許多變數,在深圳坪山、坪地、惠州、東莞等珠三角這種亞熱帶地區來說,集裝袋的使用就更加小心,如果是短期使用,有日曬雨淋沒多大問題??紤]到要長期使用的話,一定要注意加蓋雨篷布之類的防曬防雨淋。

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