聚氯乙烯（PVC）异型材变色的影响因素分析

发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会，是中国实现可持续发展的必由之路。 随着这一发展战略的深入实施，PVC异型材门窗因其节能优势将得到更广泛的应用。 据统计，2006年我国PVC型材产销量超过200万吨(不含非标劣质型材)。 PVC型材的使用大多常年暴露在室外条件下，要承受风、雪、阳光、雨水、大气侵蚀空气体污染等各种外界条件。 而PVC树脂本身，由于其特殊的分子链结构特点，决定了其耐热、耐光、耐氧性低，特别容易分解变色。 理论上一般认为PVC降解变色(发黄)的主要原因是PVC的分子链在热、光、氧的作用下发生脱HCl反应，形成长共轭多烯结构。 因此，PVC树脂在加工和应用过程中的降解机理和稳定化技术一直是高分子材料行业的研究热点。 PVC型材的耐候性，尤其是其色牢度，一直是型材质量最重要的体现之一，也是型材和塑钢门窗行业关注的焦点之一。 可以说，型材变色直接关系到塑钢门窗能否进一步推广和发展，走可持续发展道路的大问题。 因此，控制影响型材变色的各种因素，至少保证型材符合4000/6000小时老化的国家标准，并长期保持明亮的光泽，成为塑钢行业的高端追求。 在本文中，PVC型材的变色现象应包括老化变色(变黄、变灰等。)以及型材(白色型材)老化后的光泽消失和粉化现象。 其中，白色型材都是光泽明亮的产品，失去光泽、粉化的白色型材还是变色型材。 PVC异型材的变色取决于外部和内部条件的相互作用。 外界条件包括紫外线辐射、一定的温度、湿度和氧气条件、空气体污染(粉尘、硫磺、酸雨等。);内在条件是PVC分子本身被HCl去除所降解。 本文分析了外界气候条件对PVC降解变色的影响，并从型材配方出发，讨论了热稳定剂、钛白粉等颜料对PVC型材变色的影响及其控制因素。 从而分析和预防PVC型材的变色，为开发高端PVC型材提供相关的理论依据。 1.型材变色的外部因素1.1紫外线照射太阳照射到地球外层空气体层的光是连续光谱，其波长在0.7 ~ 3000nm之间，其中300-400nm紫外线的辐射是聚合物降解的主要原因。 表1比较了不同波长的辐射能量和一些典型聚合物的键能。可以看出，290~400nm紫外波段的光子能量为419~297kJ/E，明显高于聚合物中一些典型化学键的键能。 当然，地球不同纬度的紫外线辐射强度不同，决定了不同地区对PVC型材配方耐候性的要求不同。 1.2温度和湿度除了紫外线辐射外，还应考虑温度、湿度和地区气候的影响。 随着温度的升高，热降解可能与光降解重叠，甚至占主导地位。 这主要是由于型材吸收了太阳光波中的红外线，将其转化为热能，可使表面温度升高，加速老化变色。 空气体中的水分(湿度)也是PVC降解的诱因之一。 水可以通过萃取、水解和某些颜料或二氧化钛的光化学反应影响PVC的降解。 此外，由于室外温差和空气体中的水在型材表面的凝结，会使构件中含有氧气，成为氧化水，可加速聚合物的氧化降解。 1.3 空空气污染导致塑料老化的辐射，即到达地球表面的辐射，由阳光直射(“太阳辐射”)和散射光(“天空空辐射”)组成。光散射能力与波长的四次方成反比(瑞利定律)。 空空气中的悬浮颗粒(灰尘)可以散射太阳光，这意味着短波散射波长更容易到达地面。 因此空空气中的悬浮颗粒可能会增强到达表面的紫外线，加速PVC的降解。 根据大气的光学性质，还应注意大气中的各种有机物，包括可导致氧化剂烟雾形成的光化学产物。 这些有机物甚至可以破坏平流层中的臭氧层，从而增加紫外线辐射，加速PVC的降解。 对于采用铅稳定体系的PVC型材，在空气体中硫含量较高的情况下，可能会发生铅稳定剂的硫污染反应，产生有色PbS(黑色)。 当型材被酸雨淋湿时，在强烈的阳光照射下，型材表面残留的酸雨产生“HS-”离子，可溶于水，与型材中的Pb2+发生反应，也可形成沉淀，造成型材表面有色的“硫化”污染。 因此，气候条件是影响PVC型材变色的首要外部条件。 作为高耐候型材的配方设计，首先要考虑的应该是型材使用环境的气候条件。 杜邦技术公司研究了型材在不同气候条件下的老化和变色。 图2显示了国外不同测试地区的气候条件，主要包括迈阿密、布鲁塞尔、土伦、里斯本、凤凰城的月平均降水量和气温。 可以发现，位于美国佛罗里达州(FL)的迈阿密属于典型的湿热气候，而位于美国亚利桑那州(AZ)的凤凰城属于典型的干热气候。 从图3可以看出，同一组PVC型材样品(A~E，STD)，在凤凰城三年老化试验中，变色(发黄)程度和deltab*明显大于迈阿密。 这充分说明炎热干燥的气候条件加速了PVC的降解变色。 从我国PVC型材的生产和使用实践中发现，在太阳辐射强度高的干燥地区，型材容易老化/变色，与上述研究结果一致。 2.型材变色的内在因素PVC树脂被HCl降解是型材变色的主要内在因素。 PVC树脂是制造型材的基础材料，用量约占总配方的80%。 因此，PVC树脂的质量是决定型材质量的关键。 PVC降解的主要原因包括其分子中的许多缺陷结构，如烯丙基氯、叔碳氯等。PVC分子是头对头结构还是头对尾结构；一定量的低分子量组分；还有残留引发剂、催化剂、酸碱等杂质的影响。 在外界光线、氧气和微量水分的作用下，这些杂质迅速诱发脱氯化氢，在PVC的分子结构中形成共轭多烯序列。 光降解过程中积累的多烯结构很可能迅速成为主要的吸光结构。 随着降解程度的加深和微分子结构的不断变化，其光吸收也发生变化，从而外观色泽发生变化。 同时型材的力学性能和冲击强度下降，产品表面也可能产生粉末。 控制PVC树脂的质量，特别是控制PVC树脂的降解和多烯结构的形成，也是型材变色要解决的首要问题。 PVC的降解受树脂本身质量的影响，如树脂中是否有过多的引发剂残留，PVC分子链中是否有过多的引发剂残留、支链等缺陷结构，PVC分子是头对头还是头尾结构。 PVC分子链中的不稳定结构越多，其热-光-氧化稳定性越差。 同时，一些异常的结构会导致分子链对光的吸收和反射不同，从而改变PVC颗粒的外观颜色。 因此，PVC树脂的质量控制应包括PVC粒径及分布、分子量大小及分布、粉体外观颜色、热稳定性等。 律师回复