利用紫外光冷凝老化試驗箱測試老化對鋁粉顏料材料性能的影響

摘要

鋁薄片產品已被用於塑料工業的各種成品中。隨著應用類型擴展到戶外使用，需要更多關於這些產品的耐候性和結果完整性的信息。雖然公認鋁片(本身)不會受到老化的很大影響，但是對於使用這些顏料的暴露材料的最終物理性能還沒有進行太多的討論。

這項研究的重點是幾種鋁片產品的使用，這些產品與不同的聚合物混合，並置於暴露和未暴露的條件下。變量包括顆粒大小、遞送形式和類型、濃度、紫外線穩定劑添加和選擇的聚合物。ASTM拉伸棒和夏比棒被模塑用於各種試驗，每組的樣品暴露於加速老化。在規定的時間和條件設定後，測試所有樣品的夏比衝擊強度和拉伸強度及伸長率。比較暴露和未暴露樣品的測試結果，以確定模製聚合物加速老化的基本趨勢。

記錄的數據揭示了有趣的信息。在一些觀察到的情況下，鋁片可以被認為是防止加速老化條件的一種方法。因此，這一特征潛在地為這種顏料提供了附加值。

背景資料

關於鋁顏料的使用，外觀和功能是關注的問題，因為它們是使用鋁薄片產品的主要原因。美學上的變化可以通過模擬或自然的方式暴露在老化環境中，並確定顏色的變化來檢查。對於油漆中使用的鋁片產品已經進行了大量的研究。同樣，對老化對模製件顏色的影響也進行了研究。這些報告中的數據涉及色彩偏移或膠片完整性。然而，老化對使用鋁顏料的模製塑料的物理性能的影響還沒有被廣泛檢查或公布。

已經提出了一種關於這些情況的機製和潛在結果的理論。有人認為薄片材料可以反射光線，防止零件內部受損。聚合物的任何分解隻會發生在表麵層。這也表明中間聚合物可能受到兩次影響，一次在進入時，另一次在反射時。

出於簡單性、資源可用性的目的，以及為進一步的努力創造一個簡單的基礎，變量的選擇範圍縮小了。所涉及的材料是根據處理、一般用途和範圍的原因選擇的。資源和設備僅限於可用的和可以隨時使用的。所用設備的培訓和技術是基本的，有時會進行修改，以保持研究的簡單和簡短。此外，所看到的數據為未來的研究提供了一個起點。基於這裏觀察到的結果，可以改變和選擇所使用的任何變量。

鋁片產品被製造成各種顆粒尺寸，並通過激光散射測量其各自的平均顆粒尺寸D(50)進行分類。這種顆粒尺寸的趨勢是尺寸與不透明度的反比關係:D(50)越低，不透明度越高。在本研究中，通過選擇兩種具有明顯不同尺寸(14微米和45微米)的薄片類型來檢驗該特征。理論上，更小的薄片尺寸應該提供更好的覆蓋，因此可以提供更好的保護。

以相關的方式，檢查鋁製品的裝載水平。每種聚合物的濃度分別為1%、3%和5%。選擇這些水平是因為它們在美學和功能應用中都是常見的。通過負荷的變化，可以觀察到濃度與給定保護水平的關係。

還考慮了薄片的輸送形式。出於安全考慮，不建議將幹鋁顏料和基於礦油精的產品添加到塑料加工中。研究了固體載體，因為它們能夠用於各種樹脂，並且使用了相應於3%鋁片的負載水平。行業中兩種常見的載體類型(0.75%的丙烯酸樹脂；和1.28%的PE蠟)作為添加劑質量和通過加入的鋁片產品進行檢驗。由於不相容性，丙烯酸樹脂沒有用於涉及聚丙烯的試驗。此外，由於一些加工問題，此時沒有研究液體載體的使用。

研究中包括一種紫外線穩定劑，以確定其與鋁顏料、載體和未填充樹脂相比的保護水平。與載體添加劑一樣，穩定劑僅在一種負載水平(0.5%)下使用。紫外線穩定劑是在原始樹脂和14微米薄片類型和載體中複合而成的，用於單獨係列中的每種聚合物。

所選的聚合物領域被縮小到三種用於戶外產品的常見類型:聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。聚丙烯代表聚烯烴材料；聚碳酸酯，作為基於一種單體類型的工程樹脂；和ABS作為共聚物(三元共聚物)工程樹脂。每種塑料都通過填充和未填充試驗進行測試。

最後，使用QUV紫外光冷凝老化試驗箱UVB 313B光和100%濕度循環加速老化，並根據ASTM D4329進行建模。由於本研究的重點是確定塑料老化暴露的基本趨勢，因此更短的時間框架是可取的——在既定條件下暴露100小時。QUV紫外光冷凝老化試驗箱適用UVB 313燈為相關部件提供了破壞性的加速曝光。然後將老化樣品與未暴露部分進行比較。

實驗性

實驗按照高分子分為三組。根據表1所列的含量，所有材料都與PP、PC或ABS混合。對於聚丙烯，沒有使用丙烯酸樹脂進行試驗。通過1 1/4英寸的單螺杆擠出機(25∶1螺杆)進行混合。使用55噸注塑機將所得化合物模塑成ASTM D6110/ISO 179 & ASTM D638部件。

對每個聚合物實驗的樣品進行夏比能量(J)、拉伸強度(MPa)和拉伸伸長率(ASTM D6110/ISO 179 & ASTM D638)測試。這些數據成為暴露於既定加速老化條件下的零件的基本比較。

每個實驗的樣本也被放入QUV紫外光冷凝老化試驗箱。使用的條件模擬自ASTM 4329(70C時8小時紫外線；然後4小時無紫外線，100%濕度@ 50C)，紫外線313B持續100小時)。暴露後，測試零件的夏比能量(J)、拉伸強度(MPa)和拉伸伸長率。將這些數據與未暴露試驗的相應結果進行比較。

結果

聚丙烯試驗:

特別值得注意的是，紫外線穩定劑不會在很大程度上降低性能，如果有的話。此外，它似乎可以保護透明PP中暴露部分的屬性。PE蠟載體在暴露和未暴露的情況下(拉伸除外)為PP提供一定程度的屬性保留。

在夏比和拉伸試驗中，鋁片產品似乎提供了類似於添加紫外線穩定劑的耐候性保護水平。這種保護在添加時是顯而易見的，並且在著色部分的保持力比已經暴露的透明聚合物高得多。較小的顆粒尺寸似乎比較大的薄片尺寸更好地保護零件，支持了顆粒尺寸在老化保護中起關鍵作用的觀點。

暴露的著色部分的拉伸伸長率不像未暴露的部分那樣保留。然而，片狀產品比透明聚丙烯提供了一些保護。紫外線穩定劑有助於保護；然而，穩定劑也改變了未曝光樣品的這種性質。

聚碳酸酯試驗:

關於添加劑對夏比能量的影響，紫外線穩定劑、聚乙烯蠟和丙烯酸樹脂對性能沒有太大影響。注意到的趨勢是夏比能量略有下降。對於拉伸強度，紫外線穩定劑、聚乙烯蠟和丙烯酸樹脂也不會對性能產生很大影響。注意到的趨勢是強度略有增加，暴露的PC顯示下降。對於拉伸伸長率，聚乙烯蠟和丙烯酸樹脂對性能有顯著影響。兩種載體類型都允許暴露的樣品有較小的伸長。隻有通過添加紫外線穩定劑，才能看到與未曝光部分相當的伸長率。

在Charpy試驗中，紫外線穩定劑降低了暴露和未暴露樣品的衝擊能量(見上文2)。鋁片產品不能提供太多的防暴露保護，因為從透明PC中觀察到減少。有限的保護作用在添加時是顯而易見的，增加添加量會降低性能保持率。無論載體或暴露程度如何，較大的顆粒尺寸似乎在暴露和未暴露的樣品中提供了更好的性質保留。在該聚合物試驗中，顆粒尺寸和保護之間的關係沒有建立。

對於抗拉強度，紫外線穩定劑的添加在載體類型和曝光組中都增加了這個值。在曝光和未曝光的情況下，鋁片在聚乙烯蠟試驗中提供了相當數量的保護，而在丙烯酸試驗中則提供了相當數量的保護。顆粒大小似乎又是一個因素，較小的 顆粒大小似乎又是一個因素，較小的顆粒可以產生較高的強度值。

拉伸試驗顯示，在所有添加物和兩組暴露中都有明顯的性能損失趨勢。觀察到的影響在產品和/或添加劑的添加點是明顯的。

ABS的試驗：

對於所有的紫外線穩定劑和載體的添加，查比、拉伸強度和伸長率都有下降。這種趨勢在兩組曝光中都是一致的。伸長率顯示出最大的變化。

在添加鋁片的Charpy測試中，所有未暴露的部件都產生了衝擊能量，隨著負載的增加而減少。當添加紫外線穩定劑時，同樣的趨勢繼續。大多數添加了鋁製品的暴露樣品顯示出比未添加的樣品更多的性能保持，這一點隨著顏料添加量的增加而略有增加。隻有在較低的負載下，紫外線穩定劑才會在暴露的樣品中提供更多的保留。暴露的樣品中提供更多的保留。

對於拉伸強度，含有鋁顏料和/或紫外穩定劑的未暴露樣品顯示出很小的性能值變化。與暴露的透明ABS相比，使用這些添加劑的暴露樣品具有更多的保留。這種趨勢也表明較小的顆粒尺寸和顏料濃度有助於這種益處。在較高的載荷下，強度與未暴露試驗的強度相當，不考慮穩定劑的添加。

拉伸伸長率測試顯示暴露樣品中的值降低。然而，這種趨勢在暴露期間逆轉，並且當使用小顆粒尺寸和更高濃度時，性能增加。紫外線穩定劑僅在較低的顏料濃度下提供更多的保護。

結論

通過本實驗的觀察，鋁片產品可以在不同程度上為注塑件提供耐候保護。然而，保護程度取決於聚合物類型、添加劑、薄片大小和裝載量。本報告中概述的效果和結果的機製尚未完全確定。觀察到對一些提出的理論的支持，並且在大多數情況下可以看到一組趨勢。總的來說，在特定情況下，鋁薄片產品可以作為增值顏料提供。通過仔細的測試和配製，可以減少或消除穩定劑添加劑的使用，潛在地節省材料、勞動力和采購成本。