高密度聚乙烯(HDPE)膜材料光氧老化性能研究.pdf

1、近年來(lái)，高密度聚乙烯（HDPE）膜材料被廣泛用于垃圾填埋場(chǎng)，污水處理廠，人工湖以及漁業(yè)養(yǎng)殖等防滲工程，此類工程需要HDPE膜材料滿足50年以上的服役壽命，因此HDPE膜材料的壽命預(yù)測(cè)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。高密度聚乙烯膜材料受到紫外光作用會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的老化，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)變化，機(jī)械性能下降，從而縮短使用壽命。使用壽命的預(yù)測(cè)通常是利用實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行的，但是它也需要材料在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件下的壽命數(shù)據(jù)來(lái)支持。因而，在對(duì)HDPE土工膜進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)之前

2、，研究HDPE土工膜在不同環(huán)境中的光氧老化動(dòng)力學(xué)過(guò)程和老化性能之間的相關(guān)性變得很有必要。
　　根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)用的土工膜主要有添加炭黑和不添加炭黑的兩類，故而，本課題以添加炭黑和不添加炭黑的HDPE土工膜為研究對(duì)象，展開(kāi)二者的光氧老化動(dòng)力學(xué)過(guò)程和老化性能研究。研究?jī)?nèi)容主要有：
　?。?）采用4根UVB-313型熒光紫外燈作為輻照光源，在非金屬老化試驗(yàn)儀中進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)，研究?jī)煞NHDPE膜材料在人工加速老化條件下的

3、老化性能。對(duì)老化試樣進(jìn)行斷裂強(qiáng)力的測(cè)試，通過(guò)對(duì)兩種膜材料的斷裂強(qiáng)力保持率變化規(guī)律的分析，從宏觀上整體了解兩種膜材料的老化過(guò)程。同時(shí)用掃描電鏡（SEM）、差示掃描量熱儀（DSC）和傅里葉紅外光譜儀（FTIR）對(duì)老化試樣的表面形態(tài)、結(jié)晶度和降解產(chǎn)物（羰基、乙烯基）含量等進(jìn)行測(cè)試，研究了不同HDP E膜的光氧老化動(dòng)力學(xué)過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，在人工加速老化試驗(yàn)條件下，不同HDPE膜的光氧老化機(jī)理是一致的。同時(shí)，當(dāng)膜材料中加入炭黑后， HDPE膜材料的

4、老化降解速率會(huì)變緩，即炭黑減緩了老化初期和后期的反應(yīng)速率，加快了老化中期的降解速率，但最終兩種材料會(huì)達(dá)到相同的老化效果。在實(shí)驗(yàn)室條件下，炭黑可延長(zhǎng)HDPE膜材料的壽命長(zhǎng)度高達(dá)5～6倍。
　?。?）采用自然光對(duì)老化試樣進(jìn)行輻照，在戶外大氣環(huán)境中對(duì)兩種膜材料進(jìn)行了大氣自然老化試驗(yàn)，研究?jī)煞NHDPE膜材料在自然老化條件下的老化性能。通過(guò)對(duì)老化試樣表面形態(tài)、斷裂強(qiáng)力保持率和羰基指數(shù)的變化規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)在大氣自然條件下，不同 HDPE膜材

5、料的光氧老化機(jī)理仍是相同的。而且，在較短的試驗(yàn)周期內(nèi)，添加炭黑的HDPE膜材料只發(fā)生初始階段的光氧老化過(guò)程，且炭黑在老化開(kāi)始階段有很好的光屏蔽作用，有效減小了光氧老化速率。同時(shí)，添加炭黑的HDPE膜材料長(zhǎng)期暴露在戶外環(huán)境中，炭黑的熱能轉(zhuǎn)化作用會(huì)使材料發(fā)生一定老化，導(dǎo)致材料力學(xué)性能的衰減，這使得HDPE膜材料在不同試驗(yàn)條件下的老化相關(guān)性變差。
　　（3）針對(duì)同種膜材料分別在人工加速老化和大氣自然老化條件下的老化性能，對(duì)比分析同種材料

6、在不同老化試驗(yàn)條件下老化性能之間的相關(guān)性，并分析在HDPE膜材料中添加炭黑后對(duì)這種相關(guān)性的影響。對(duì)不添加炭黑的HDPE膜進(jìn)行分析，其斷裂強(qiáng)力保持率、羰基指數(shù)均表明，HDPE膜材料在不同試驗(yàn)條件下的老化性能變化具有相關(guān)性。但是，當(dāng)在HDPE膜材料表面的累積紫外輻射能相同時(shí)，其老化效果不完全一樣，這不符合互易定律。因此，本課題依據(jù)Schwarzschild定律，即在互易定律的基礎(chǔ)上引入與材料種類有關(guān)的常數(shù)p,當(dāng)Ipt=常數(shù)(紫外輻射強(qiáng)度I的

7、p次方與老化時(shí)間t的乘積一定)時(shí)，材料的光氧老化效果是等效的。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)p=0.79時(shí)，不添加炭黑的HDPE膜材料的大氣自然老化和人工加速老化之間有較好的相關(guān)性，但此結(jié)果不適用于添加炭黑的 HDPE膜。經(jīng)過(guò)對(duì)添加炭黑的 HDPE膜的相關(guān)指標(biāo)的重新計(jì)算得知，當(dāng)p=1.89時(shí)，添加炭黑的HDPE膜材料的大氣自然老化和人工加速老化之間有一定的相關(guān)性。
　　基于以上研究發(fā)現(xiàn)，在不同試驗(yàn)條件下，炭黑不改變HDPE膜材料光氧老化機(jī)理，但是會(huì)