高密度聚乙烯（HDPE）膜材料光氧老化性能研究

发布时间：2018-12-08 21:36

【摘要】：近年来,高密度聚乙烯(HDPE)膜材料被广泛用于垃圾填埋场,污水处理厂,人工湖以及渔业养殖等防渗工程,此类工程需要HDPE膜材料满足50年以上的服役寿命,因此HDPE膜材料的寿命预测引起了众多学者的关注。高密度聚乙烯膜材料受到紫外光作用会发生严重的老化,导致分子结构变化,机械性能下降,从而缩短使用寿命。使用寿命的预测通常是利用实验室条件进行的,但是它也需要材料在实际应用环境条件下的寿命数据来支持。因而,在对HDPE土工膜进行寿命预测之前,研究HDPE土工膜在不同环境中的光氧老化动力学过程和老化性能之间的相关性变得很有必要。根据市场调研,现在产业用的土工膜主要有添加炭黑和不添加炭黑的两类,故而,本课题以添加炭黑和不添加炭黑的HDPE土工膜为研究对象,展开二者的光氧老化动力学过程和老化性能研究。研究内容主要有:(1)采用4根UVB-313型荧光紫外灯作为辐照光源,在非金属老化试验仪中进行人工加速老化试验,研究两种HDPE膜材料在人工加速老化条件下的老化性能。对老化试样进行断裂强力的测试,通过对两种膜材料的断裂强力保持率变化规律的分析,从宏观上整体了解两种膜材料的老化过程。同时用扫描电镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)对老化试样的表面形态、结晶度和降解产物(羰基、乙烯基)含量等进行测试,研究了不同HDPE膜的光氧老化动力学过程。研究发现,在人工加速老化试验条件下,不同HDPE膜的光氧老化机理是一致的。同时,当膜材料中加入炭黑后,HDPE膜材料的老化降解速率会变缓,即炭黑减缓了老化初期和后期的反应速率,加快了老化中期的降解速率,但最终两种材料会达到相同的老化效果。在实验室条件下,炭黑可延长HDPE膜材料的寿命长度高达5~6倍。(2)采用自然光对老化试样进行辐照,在户外大气环境中对两种膜材料进行了大气自然老化试验,研究两种HDPE膜材料在自然老化条件下的老化性能。通过对老化试样表面形态、断裂强力保持率和羰基指数的变化规律的分析,发现在大气自然条件下,不同HDPE膜材料的光氧老化机理仍是相同的。而且,在较短的试验周期内,添加炭黑的HDPE膜材料只发生初始阶段的光氧老化过程,且炭黑在老化开始阶段有很好的光屏蔽作用,有效减小了光氧老化速率。同时,添加炭黑的HDPE膜材料长期暴露在户外环境中,炭黑的热能转化作用会使材料发生一定老化,导致材料力学性能的衰减,这使得HDPE膜材料在不同试验条件下的老化相关性变差。(3)针对同种膜材料分别在人工加速老化和大气自然老化条件下的老化性能,对比分析同种材料在不同老化试验条件下老化性能之间的相关性,并分析在HDPE膜材料中添加炭黑后对这种相关性的影响。对不添加炭黑的HDPE膜进行分析,其断裂强力保持率、羰基指数均表明,HDPE膜材料在不同试验条件下的老化性能变化具有相关性。但是,当在HDPE膜材料表面的累积紫外辐射能相同时,其老化效果不完全一样,这不符合互易定律。因此,本课题依据Schwarzschild定律,即在互易定律的基础上引入与材料种类有关的常数p,当Ipt=常数(紫外辐射强度I的p次方与老化时间t的乘积一定)时,材料的光氧老化效果是等效的。经过计算,当p=0.79时,不添加炭黑的HDPE膜材料的大气自然老化和人工加速老化之间有较好的相关性,但此结果不适用于添加炭黑的HDPE膜。经过对添加炭黑的HDPE膜的相关指标的重新计算得知,当p=1.89时,添加炭黑的HDPE膜材料的大气自然老化和人工加速老化之间有一定的相关性。基于以上研究发现,在不同试验条件下,炭黑不改变HDPE膜材料光氧老化机理,但是会改变老化的动力学过程。并且,同种HDPE膜材料在不同老化试验条件下老化过程具有相似性,利用Schwarzschild定律可建立相关性模型,从而全面分析炭黑对HDPE膜材料性能的影响。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ325.12;TB383.2

【参考文献】