高密度聚乙烯(HDPE)膜材料光氧老化性能研究.pdf

1、近年來，高密度聚乙烯（HDPE）膜材料被廣泛用于垃圾填埋場，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)來支持。因而，在對HDPE土工膜進(jìn)行壽命預(yù)測之前

2、，研究HDPE土工膜在不同環(huán)境中的光氧老化動(dòng)力學(xué)過程和老化性能之間的相關(guān)性變得很有必要。
　　根據(jù)市場調(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土工膜為研究對象，展開二者的光氧老化動(dòng)力學(xué)過程和老化性能研究。研究內(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)，研究兩種HDPE膜材料在人工加速老化條件下的

3、老化性能。對老化試樣進(jìn)行斷裂強(qiáng)力的測試，通過對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)行測試，研究了不同HDP E膜的光氧老化動(dòng)力學(xué)過程。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HDPE膜材料的壽命長度高達(dá)5～6倍。
　?。?）采用自然光對老化試樣進(jìn)行輻照，在戶外大氣環(huán)境中對兩種膜材料進(jìn)行了大氣自然老化試驗(yàn)，研究兩種HDPE膜材料在自然老化條件下的老化性能。通過對老化試樣表面形態(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程，且炭黑在老化開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。
　?。?）針對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這種相關(guān)性的影響。對不添加炭黑的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)過對添加炭黑的 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)