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木塑复合材料在我国工业化发展十分迅猛,新建企业逐年增多。耐候性是影响其使用寿命的关键因素,已成为北美和欧洲的热点课题,然而,我国许多研究单位和生产企业对木塑复合材料的研究主要集中在工艺与配方设计等技术方面,对其耐候性的研究则近乎空白,极大地限制了木塑复合材料在我国的发展。因此开展木塑复合材料在我国典型气候下的耐候性及其稳定化途径的研究,具有非常重大的意义。论文着眼于木塑复合材料耐老化性能的评价与老化机理的研究,对其长效稳定化进行深入探讨,寻找适用的高性价比光稳定剂,并研究性能随老化时间的变化规律,建立函数关系,以此估算木塑复合材料的使用寿命,为木塑复合材料在我国应用领域的拓展提供依据。研究结果总结如下:
(1)黎蒴栲/PVC复合材料色差随老化时间呈曲折上升的趋势变化,光-氧老化和光-氧-水老化后,添加了酞菁绿的黎蒴栲/PVC复合材料色差最小,分别为9.89NBS和14.74NBS,分别比未添加光稳定剂的色差小4.98NBS和77.14NBS;自然气候曝露试验后,添加了ZnO的黎蒴栲/PVC复合材料色差最小,比未添加光稳定剂的小2.89NBS。稻糠/HDPE复合材料在湿热氧老化试验和自然气候曝露试验过程中,色差均呈线性增函数规律变化,函数式和相关系数的平方分别为y=6.11x+7.31,R2=0.88和y=0.59x-14.42,R2=0.97。
(2)光氧老化后,黎蒴栲/PVC复合材料的弯曲性能提高,拉伸强度变化不明显,拉伸断裂伸长率和冲击韧性大幅度降低。湿热氧老化后,弯曲性能和拉伸强度均大幅度降低,拉伸断裂伸长率和冲击韧性除添加受阻胺和UV300的稍有提高外,其余的稍有降低。土埋后,弯曲性能提高,拉伸性能和冲击韧性降低。自然老化后,弯曲性能大幅度提高,拉伸强度除添加受阻胺和酞菁绿的之外,其余均降低,拉伸断裂伸长率和冲击韧性大幅度降低。
(3)光氧老化后,稻糠/HDPE复合材料的力学性能稍有降低;湿热老化过程中,静曲强度和拉伸强度的保留率呈指数函数规律变化,弯曲弹性模量的保留率呈线性减函数规律变化,拉伸断裂伸长率和冲击韧性的保留率呈二次函数规律变化。取保留率50%为临界点,根据所得函数估算稻糠/HDPE复合材料在该条件下的寿命分别为43d、35d、44d、45d和52d,老化倍率约为广州气候自然老化的12倍。自然老化过程中,拉伸强度、拉伸断裂伸长率和冲击韧性呈指数函数规律变化,取老化前性能的50%为临界值,根据所得函数,估算稻糠/HDPE复合材料自然曝露老化的寿命分另为484d、976d、854d,远小于厂家提供的不少于5a的使用寿命。
(4)酞菁绿是优良的黎蒴栲/PVC复合材料长效稳定剂,能有效抑制PVC的脱HCl反应,对光氧老化、湿热氧老化和土壤腐蚀都起到了有效的抑制作用,而且价格便宜,易于工业上大规模推广使用。添加了酞菁绿的黎蒴栲/PVC复合材料在光氧老化试验、湿热氧老化试验、土埋试验和自然气候曝露试验中的综合加权评分分别为-20.0、76.0、-19.7和-31.9,分别比未添加光稳定剂黎蒴栲/PVC复合材料高58.0、44.7、36.2、11.5。
(5)木塑复合材料的老化机理为:光和热引发木塑复合材料中木质组分和塑料组分大分子链断裂,产生的自由基与氧气作用,发生链支化反应生成羰基、氢过氧化物等,发生交联反应生成烷氧基等;水分破坏木-塑界面、水解酯类添加剂、抽提小分子添加剂和降解产物;微生物分解纤维素、半纤维素、木素和酯类添加剂;木塑复合材料中各组分的降解产物相互促进老化,PVC降解产生的HCl溶于水,促进了纤维素和半纤维素的水解。