影響PVC塑窗耐候性的因素及防止老化的措施

文章出處：網責任編輯：青島賽諾作者：青島賽諾人氣：-發表時間：2017-09-28 08:28:00【大中小】

青島賽諾

聚氯乙烯（PVC）塑窗具有許多優點和特性，它比木窗和鋼窗耐腐蝕；比鋁窗和鋼窗的密封性、隔音性、隔熱保溫性能好，而且外觀精致，保養容易，造型多樣，可與各類建筑物相協調。但是，硬質PVC用作窗框特別是外窗用型材時需長期暴露在戶外，常年要經受風吹、日曬、雨淋、環境污染等大氣環境侵蝕，遭受的環境破壞因素極其復雜，加上原料中樹脂、助劑的選配及制品的成型加工工藝等存在的問題，使得耐候性成為人們考核PVC塑窗質量的一項重要指標。

1 影響PVC塑窗耐候性的因素
    PVC的耐候性主要是指老化問題。PVC是一種合成高分子材料。引起高分子材料老化的原因不外乎內因和外因兩個方面。內因主要是指高分子材料本身的分子結構狀態（包括化學結構和物理結構）和高分子材料體系內部各組分的性質、比例等。高分子材料的結構狀態及其組成配方在很大程度上決定著材料耐老化性能的優劣。外因指的是外界的環境因素。
1.1 影響PVC塑窗耐候性的內因
    PVC本身分子結構的弱點是影響其耐候性的主要內因。在通常狀況下，PVC的分子結構是氯乙烯單體按首尾方式相連接形成的一種有規則的線型分子鏈，氯、氫原子只與仲碳原子結合，按理說是較穩定的。但在實際生產中，尤其是聚合溫度高時，可能生成“頭頭”、“尾尾”的不規則連接方式及雙鍵、支鏈等，另外引發劑、雜質等的存在也會影響PVC的分子結構和純度。
    “頭頭”、“尾尾，，相連接的不規則結構導致PVC的熱穩定性能變差，容易脫出氯化氫（HCL）。
    雙鍵的存在尤其是分子鏈末端形成的不飽和雙鍵也是結構上的弱點，它們容易氧化、斷鏈等，而且其含有的不穩定烯丙基氯也易脫出。
    當有支鏈存在時，支化點上的叔氯原子或叔氫原子都是老化反應時易受攻擊的部位，因為它們的鏈能較低，尤其叔氯鏈更易活化發生反應。支化點上的叔氯甚至在聚合時就能與鄰近的H作用脫出HCl，繼而在分子鏈內產生雙鍵結構。
    當PVC聚合過程中采用過氧化物作引發劑或有氧存在時，則可使分子鏈內含有-OH或-0等基團，也成為后來容易老化、性能降低的誘導因素。
1.2 影響PVC塑窗耐候性的外因
    影響PVC耐候性的外因主要包括光（波長、強度）、放射線、熱、作用力和電等能量因素，以及空氣、活性氣體、氧、臭氧、H2S、SO2、HCI、水、有機溶劑、微生物的危害和昆蟲破壞等環境因素，這些因素是引起PVC等高分子材料在貯存或使用過程中老化的主要因素。從PVC老化的主要機理看，光、熱、氧產生的老化是影響PVC耐候性的主要因素。
    （1）紫外線照射的影響
    耐候性問題主要指光引起的破壞作用。光老化主要是波長較短、能量較高的紫外線（UV）對高分子材料的破壞。UV照射對PVC塑窗的耐候性有較大影響。UV波長為200～380nm，它具有足以引起PVC分子化學鍵斷裂、產生自由基的能量。表1列出PVC分子中C-H鍵和C-CI鍵的鍵能與UV波長所對應的能量比較。

    從表1可看出，波長為290nm的UV，其能量為418kJ，足以使PVC中的C-H鍵和C-CI鍵發生斷裂。而波長為300nm的UV，其能量為397kJ，也足以使C-CI鍵發生斷裂。由此可見波長為290～300nm的UV對PVC本體結構的破壞性極大，而實際上波長為310nm的UV就能使PVC分子中的C-CI鍵斷裂脫出HCI生成多烯共扼雙鍵而導致老化，特別是在有氧、水、熱存在時PVC塑窗會出現裂紋、脆化、白化等，并導致沖擊強度、拉伸強度及電絕緣性能的顯著下降。
    （2）溫度、濕度及氧的影響
    溫度對于PVC這種熱敏性塑料的老化進程也起著重要作用，PVC性能的衰減與使用地點的溫度有關。室外使用的PVC塑窗表面溫度并不高（接近地面溫度），不足以引起PVC立即分解。但是由于PVC塑窗吸收太陽光中的紅外線后轉變為熱能，故使其表面溫度較高，特別是光、氧等因素的互相影響使熱對PVC塑窗的老化起加速作用，溫度愈高，光老化降解速度愈快。試驗表明溫度每升高10℃，降解速度就相應快1倍。這就涉及到有色特別是棕色、深色異型材的光、熱穩定性問題。不同顏色的塑窗在相同氣溫下其表面溫度差異很大，光、熱穩定性也會明顯不同。表2列出了黑、白兩色PVC塑窗在陽光照射下的表面溫度。由表2可看出，白色PVC塑窗的表面溫度與空氣溫度相差較小。因此，在氣溫較高地區推薦使用白色的PVC塑窗或外側為白色內側為有色的復合層窗。此外，氣溫隨季節和晝夜而發生的熱冷交替變化也對PVC塑窗老化產生一定的影響。

PVC受熱容易分解，如有氧氣存在則更為劇烈。表3為PVC在氧氣、空氣和氮氣中熱氧化降解的速度比較。從表3可知，在氧氣氛下PVC脫HCI的速度最快。

　　濕度也是影響PVC塑窗老化的一個重要因素。同樣氣溫下在非常**的地區比在干燥地區老化速度快得多。氣候干燥時，臭氧分散并消失，而在**氣候中，臭氧會附著在水滴上，變成暫時的氧化水，它與PVC塑窗接觸也會使PVC塑窗發生氧化。
    此外，地理位置及其它條件如風、灰塵及大氣污染等對PVC塑窗的老化性能也有一定影響。
2 防止PVC塑窗老化的一些措施
2.1 沖擊改性劑的選擇
    目前適用于PVC窗（門）異型材的耐候性優良的沖擊改性劑主要有3類，即氯化聚乙烯（PE-C）、（乙烯／乙酸乙烯酯）共聚物（E/VAC）、丙烯酸酯類共聚物（ACR）。
    PE-C改性PVC應用最早，但該產品加工范圍窄，會引起制品變黃等現象，在市場上呈明顯減少的趨勢。
    E/VAC的年用量在這3種沖擊改性劑中最大，約占55%以上，但由于其擠出加工溫度范圍較窄，并且會降低維卡軟化溫度，使用量開始降低。
    ACR具有熔融溫度低、加工流動性好、加工溫度范圍寬等優點，制品外觀色白、光滑、細密，具有優良的沖擊強度和耐候性。選用ACR類改性劑將是提高PVC塑窗耐候性的一條有效途徑。
2.2 穩定體系的選擇
    PVC塑窗型材配方中的穩定劑除了要承擔熱穩定性外，還須兼有耐候性及可加工性。最常用的熱穩定體系主要有鉛鹽、鋇-鎘及有機錫3大類，它們都是PVC較理想的熱穩定劑，其中有些還兼有較強的光、熱穩定作用。
    鉛鹽穩定體系效果最佳且價格低廉，它與金屬皂類及潤滑劑配合使用時具有良好的加工流動性、熱穩定性及耐老化性，在國內外PVC加工中占有較大比例。它對PE-C改性PVC有很好的穩定效果。
    鋇的熱穩定性好，鎘的光穩定性好，鋇-鎘穩定體系兼具光、熱穩定性，適于戶外使用。若將鉛與鋇-鎘穩定劑復合使用，則可進一步提高光熱穩定性和耐候性，并可減少制品白化程度，但鎘的毒性較大。
    有機錫穩定劑中，硫醇錫的熱穩定性較好，但耐候性差。錫系中耐候性最好的是二月桂酸二丁基錫、馬來酸錫。
2.3 著色劑的選擇
    多年來國內外的使用經驗表明，白色塑料門窗能作為耐久性的建筑材料。金紅石型TiO具有立方體結構，它的密度高，結晶結構穩定，折射率大，能有效地散射光線，光學穩定性高，對材料的保護效果顯著，適于戶外使用。金紅石型TiO2是白色塑窗最理想的著色劑，同時兼有屏蔽和散射紫外線的作用。
    在我國一般氣候條件下，制造PVC塑窗型材時配用4-6份TiO2即可，在光輻射很強、氣溫較高的地區可適當增加配用量。若采用有機錫穩定體系時，需配用12～15份Ti02。
    對于有色PVC塑窗異型材，要采用耐200℃以上高溫、耐光性強（7～8級）、耐酸堿（＞4級）及耐遷移性（5級以上）的顏料作為著色劑。也可以采用復合共擠出工藝，用聚甲基丙烯酸甲酯薄層或膜擠塑在白色型材外表面，可采用后加工印色的方法。
2.4 紫外線吸收劑及抗氧劑的選用
    在PVC塑窗異型材配方中如果選用有較好光、熱穩定性的體系，如鉛穩定體系中的二鹽基亞磷酸鉛，不僅有較好的熱穩定作用，而且有良好的紫外線屏蔽作用，并兼有抗氧劑的功能，加上體系中還有能屏蔽及散射紫外線的Ti02，故一般情況可不再添加紫外線吸收劑及抗氧劑。但在氣候炎熱、光輻射強烈的地區，為了進一步提高耐候性，可適量添加紫外線吸收劑UV-531或UV-9等。但值得注意的是，這類助劑與其它助劑的匹配具有強烈的選擇性。
3 結語
    影響PVC塑窗耐候性的因素很多，在產品質量一定即內因有保證的情況下，PVC塑窗的耐候性則取決于大氣的影響。大氣環境的因素是一個變量，隨著季節、時間的變動而改變，同時也隨著地理條件的不同而變化。其中紫外線是使PVC材料老化的主要因素，熱和**的共同作用也會使PVC材料降解。同時由PVC材料老化機理得知，PVC窗框型材的老化過程主要是在光、熱、氧綜合作用下使高分子鏈發生交聯、斷裂以致變色、強度下降的過程，在制造PVC塑窗型材過程中，選擇好的改性劑、穩定劑、著色劑、紫外線吸收劑及抗氧劑等，是防止PVC塑窗老化，提高PVC塑窗耐候性最主要的措施。