高密度聚乙烯(HDPE)土工合成材料光氧老化性能研究.pdf

1、目前，隨著高密度聚乙烯（HDPE）土工合成材料在工業(yè)上的不斷發(fā)展以及在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對(duì)于HDPE土工合成材料的耐老化性能方面的研究及其壽命的預(yù)測(cè)顯得越來(lái)越重要。材料在自然環(huán)境下的老化性能測(cè)試雖然具有較好的模擬效果，但由于其老化時(shí)間較長(zhǎng)，且環(huán)境的非控制性因素影響較大。因此，一般條件下，材料的老化試驗(yàn)可以通過(guò)室內(nèi)人工加速老化試驗(yàn)的方法進(jìn)行。但由于不同光源的發(fā)光波譜及其紫外輻射強(qiáng)度的不同，均會(huì)造成老化試樣的降解程度存在一定差異性。因而

2、，對(duì)HDPE土工合成材料的光氧老化動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行探究以及分析不同紫外輻射強(qiáng)度對(duì)其老化性能的影響是十分必要的。
　　本課題以HDPE土工膜為研究對(duì)象，在UVA340型和UVB313型兩種紫外光源作用下采用人工加速老化的試驗(yàn)方法進(jìn)行光氧老化試驗(yàn)。并對(duì)老化試樣進(jìn)行了宏觀力學(xué)性能（斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)）測(cè)試，較整體地了解試樣的老化性能變化情況。同時(shí)對(duì)老化試樣進(jìn)行了熔融指數(shù)（MI）、結(jié)晶度（DSC）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等微觀表征。

3、探究了HDPE土工合成材料光氧老化降解的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并分析了不同紫外輻射強(qiáng)度下HDPE土工合成材料老化性能的相關(guān)性。
　　具體的研究工作如下：
　　（1）為了探究同種光源下試樣老化性能的差異性，選用UVA340型（1根、2根及4根燈管）光源進(jìn)行老化試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，老化試樣的光氧老化反應(yīng)速率與紫外輻射強(qiáng)度不成比例，且不同紫外輻射強(qiáng)度下其老化機(jī)理不發(fā)生變化。熔融指數(shù)分析指出隨著輻射強(qiáng)度的增加，相對(duì)分子質(zhì)量均先增大后減小，但其內(nèi)部

4、結(jié)晶度增幅不大，僅為10％左右，不能充分說(shuō)明HDPE土工膜材料老化降解的主要原因。而紅外光譜分析中，在波數(shù)為1712cm-1和1740cm-1處生成的酮羰基和酯羰基的雙羰基吸收峰，以及908cm-1波數(shù)處的乙烯基吸收峰，均加速了HDPE材料降解反應(yīng)速率。試驗(yàn)結(jié)果表明：同種光源下，累積紫外輻射能相同時(shí)，試樣的老化程度不一致，因此互易定律不適用于HDPE土工合成材料老化相關(guān)性建立，而需要在互易定律的基礎(chǔ)上引入常數(shù)p，即Schwarzschi

5、ld定律，并結(jié)合阿列紐斯（Arrhenius）反應(yīng)速率函數(shù)模型對(duì)其建立老化相關(guān)性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)常數(shù)p=0.77時(shí)，同種光源下不同紫外輻射強(qiáng)度之間存在較好的相關(guān)性，試樣的力學(xué)性能與平均紫外輻射強(qiáng)度和老化時(shí)間之間的關(guān)系方程為：斷裂強(qiáng)力保持率：(此處公式省略)斷裂伸長(zhǎng)保持率：（此處公式省略）式中，I為紫外輻射強(qiáng)度，W·m-2；t為老化時(shí)間，h。
　?。?）為了探究不同光源下試樣老化性能的差異性，選用UVA340型（4根燈管）和UVB31

6、3型（4根燈管）進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行宏、微觀表征。熔融指數(shù)分析表明UVA340型光源下試樣老化程度遠(yuǎn)小于UVB313型，但兩種紫外光源的老化機(jī)理仍未發(fā)生變化，均在紅外光譜圖中波數(shù)為1712cm-1和1740cm-1處生成了酮羰基和酯羰基的雙羰基吸收峰。試驗(yàn)結(jié)果表明，累積紫外輻射能相同時(shí)，UVA340型和UVB313型光源下力學(xué)性能存在顯著性的差異，使其仍不適用于基礎(chǔ)的互易定律。由于光源的發(fā)光光譜不同，且材料存在最敏感波長(zhǎng)，使得不同光源下

7、試樣的老化試驗(yàn)存在有效紫外輻射能的概念。通過(guò)對(duì)UVA340型和UVB313型兩種光源波譜的計(jì)算，則有效輻射系數(shù)α1和α2的值分別為0.56和0.84。
　　綜合以上結(jié)論，不同紫外輻射強(qiáng)度下的HDPE土工合成材料的老化機(jī)理并未發(fā)生改變，但其老化反應(yīng)速率并不與輻射強(qiáng)度的成比例變化一致。同時(shí)，由于兩種紫外光源發(fā)光機(jī)制不同，因此引入有效輻射系數(shù)的概念來(lái)提高人工加速老化試驗(yàn)對(duì)戶外大氣環(huán)境的模擬效果，為HDPE土工合成材料在自然條件下的壽命預(yù)