影響PVC塑窗耐候性的因素及防止老化的措施
聚氯乙烯（PVC）塑窗具有許多優(yōu)點(diǎn)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(yǎng)容易，造型多樣，可與各類建筑物相協(xié)調(diào)。但是，硬質(zhì)PVC用作窗框特別是外窗用型材時(shí)需長期暴露在戶外，常年要經(jīng)受風(fēng)吹、日曬、雨淋、環(huán)境污染等大氣環(huán)境侵蝕，遭受的環(huán)境破壞因素極其復(fù)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(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
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(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因主要是指高分子材料本身的分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)（包括化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)）和高分子材料體系內(nèi)部各組分的性質(zhì)、比例等。高分子材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其組成配方在很大程度上決定著材料耐老化性能的優(yōu)劣。外因指的是外界的環(huán)境因素。
1.1 影響PVC塑窗耐候性的內(nèi)因
PVC本身分子結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)是影響其耐候性的主要內(nèi)因。在通常狀況下，PVC的分子結(jié)構(gòu)是氯乙烯單體按首尾方式相連接形成的一種有規(guī)則的線型分子鏈，氯、氫原子只與仲碳原子結(jié)合，按理說是較穩(wěn)定的。但在實(shí)際生產(chǎn)中，尤其是聚合溫度高時(shí)，可能生成“頭頭”、“尾尾”的不規(guī)則連接方式及雙鍵、支鏈等，另外引發(fā)劑、雜質(zhì)等的存在也會(huì)影響PVC的分子結(jié)構(gòu)和純度。
“頭頭”、“尾尾，，相連接的不規(guī)則結(jié)構(gòu)導(dǎo)致PVC的熱穩(wěn)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(jié)構(gòu)上的弱點(diǎn)，它們?nèi)菀籽趸�、斷鏈等，而且其含有的不穩(wěn)定烯丙基氯也易脫出。
當(dāng)有支鏈存在時(shí)，支化點(diǎn)上的叔氯原子或叔氫原子都是老化反應(yīng)時(shí)易受攻擊的部位，因?yàn)樗鼈兊逆溎茌^低，尤其叔氯鏈更易活化發(fā)生反應(yīng)。支化點(diǎn)上的叔氯甚至在聚合時(shí)就能與鄰近的H作用脫出HCl，繼而在分子鏈內(nèi)產(chǎn)生雙鍵結(jié)構(gòu)。
當(dāng)PVC聚合過程中采用過氧化物作引發(fā)劑或有氧存在時(shí)，則可使分子鏈內(nèi)含有-OH或-0等基團(tuán)，也成為后來容易老化、性能降低的誘導(dǎo)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(qiáng)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(jī)溶劑、微生物的危害和昆蟲破壞等環(huán)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(jī)理看，光、熱、氧產(chǎn)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(duì)高分子材料的破壞。UV照射對(duì)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(xué)鍵斷裂、產(chǎn)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(duì)應(yīng)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(fā)生斷裂。而波長為300nm的UV，其能量為397kJ，也足以使C-CI鍵發(fā)生斷裂。由此可見波長為290～300nm的UV對(duì)PVC本體結(jié)構(gòu)的破壞性極大，而實(shí)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(dǎo)致老化，特別是在有氧、水、熱存在時(shí)PVC塑窗會(huì)出現(xiàn)裂紋、脆化、白化等，并導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)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(duì)于PVC這種熱敏性塑料的老化進(jìn)程也起著重要作用，PVC性能的衰減與使用地點(diǎn)的溫度有關(guān)。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(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，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(duì)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(yàn)表明溫度每升高10℃，降解速度就相應(yīng)快1倍。這就涉及到有色特別是棕色、深色異型材的光、熱穩(wěn)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(wěn)定性也會(huì)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(qū)推薦使用白色的PVC塑窗或外側(cè)為白色內(nèi)側(cè)為有色的復(fù)合層窗。此外，氣溫隨季節(jié)和晝夜而發(fā)生的熱冷交替變化也對(duì)PVC塑窗老化產(chǎn)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?dú)庵袩嵫趸到獾乃俣缺容^。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(gè)重要因素。同樣氣溫下在非常潮濕的地區(qū)比在干燥地區(qū)老化速度快得多。氣候干燥時(shí)，臭氧分散并消失，而在潮濕氣候中，臭氧會(huì)附著在水滴上，變成暫時(shí)的氧化水，它與PVC塑窗接觸也會(huì)使PVC塑窗發(fā)生氧化。
此外，地理位置及其它條件如風(fēng)、灰塵及大氣污染等對(duì)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(yōu)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(yīng)用最早，但該產(chǎn)品加工范圍窄，會(huì)引起制品變黃等現(xiàn)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(huì)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(dòng)性好、加工溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，制品外觀色白、光滑、細(xì)密，具有優(yōu)良的沖擊強(qiáng)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(wěn)定體系的選擇
PVC塑窗型材配方中的穩(wěn)定劑除了要承擔(dān)熱穩(wěn)定性外，還須兼有耐候性及可加工性。最常用的熱穩(wěn)定體系主要有鉛鹽、鋇-鎘及有機(jī)錫3大類，它們都是PVC較理想的熱穩(wěn)定劑，其中有些還兼有較強(qiáng)的光、熱穩(wěn)定作用。
鉛鹽穩(wěn)定體系效果最佳且價(jià)格低廉，它與金屬皂類及潤滑劑配合使用時(shí)具有良好的加工流動(dòng)性、熱穩(wěn)定性及耐老化性，在國內(nèi)外PVC加工中占有較大比例。它對(duì)PE-C改性PVC有很好的穩(wěn)定效果。
鋇的熱穩(wěn)定性好，鎘的光穩(wěn)定性好，鋇-鎘穩(wěn)定體系兼具光、熱穩(wěn)定性，適于戶外使用。若將鉛與鋇-鎘穩(wěn)定劑復(fù)合使用，則可進(jìn)一步提高光熱穩(wěn)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(jī)錫穩(wěn)定劑中，硫醇錫的熱穩(wěn)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(nèi)外的使用經(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，它的密度高，結(jié)晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，折射率大，能有效地散射光線，光學(xué)穩(wěn)定性高，對(duì)材料的保護(hù)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(shí)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(shí)配用4-6份TiO2即可，在光輻射很強(qiáng)、氣溫較高的地區(qū)可適當(dāng)增加配用量。若采用有機(jī)錫穩(wěn)定體系時(shí)，需配用12～15份Ti02。
對(duì)于有色PVC塑窗異型材，要采用耐200℃以上高溫、耐光性強(qiáng)（7～8級(jí)）、耐酸堿（＞4級(jí)）及耐遷移性（5級(jí)以上）的顏料作為著色劑。也可以采用復(fù)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(wěn)定性的體系，如鉛穩(wěn)定體系中的二鹽基亞磷酸鉛，不僅有較好的熱穩(wěn)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(qiáng)烈的地區(qū)，為了進(jìn)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(qiáng)烈的選擇性。
3 結(jié)語
影響PVC塑窗耐候性的因素很多，在產(chǎn)品質(zhì)量一定即內(nèi)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(huán)境的因素是一個(gè)變量，隨著季節(jié)、時(shí)間的變動(dòng)而改變，同時(shí)也隨著地理?xiàng)l件的不同而變化。其中紫外線是使PVC材料老化的主要因素，熱和潮濕的共同作用也會(huì)使PVC材料降解。同時(shí)由PVC材料老化機(jī)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(fā)生交聯(lián)、斷裂以致變色、強(qiáng)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(wěn)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。
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