SH抑塵劑形成膠膜的紫外線老化研究

鄭嬌嬌，柴壽喜，朱書娟，劉曉佳

（天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384）

材料科學(xué)與工程

SH抑塵劑形成膠膜的紫外線老化研究

鄭嬌嬌，柴壽喜，朱書娟，劉曉佳

（天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384）

SH噴灑在棄土表面，干燥后形成一層膠膜，可達(dá)到抑塵作用.為研究日照引起膠膜的老化問題，開展紫外線老化試驗(yàn)，并測(cè)試膠膜的拉伸性能.結(jié)果為：老化前，在拉伸過程中膠膜經(jīng)歷了彈性變形—彈塑性變形—拉裂破壞三個(gè)階段，隨膠膜厚度的增加，極限拉力與極限變形均逐漸增大；老化后，膠膜的拉力-變形曲線呈拋物線型，極限拉力和極限變形均有所下降.SH抑塵劑形成的膠膜具有一定的抗拉伸性能和抗紫外線老化能力，可滿足長(zhǎng)達(dá)一年半的建設(shè)場(chǎng)地抑塵要求.

SH抑塵劑；膠膜；紫外線老化試驗(yàn)；拉伸性能

建設(shè)場(chǎng)地?fù)P塵是造成城市空氣顆粒物污染的來源之一［1-2］.因此，迫切需要開發(fā)適應(yīng)建設(shè)場(chǎng)地氣候條件的揚(yáng)塵控制技術(shù).

現(xiàn)有的抑塵劑分為濕潤(rùn)型、黏結(jié)型、吸濕保水型和多功能復(fù)合型［3］.抑塵原理為：保持棄土的濕度，增加土顆粒間的凝結(jié)作用；或在棄土表面形成具有一定拉伸性能與耐候性的膠膜，抑制塵土飛揚(yáng).

鄧云飛［4］對(duì)聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯材料進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度和拉伸速率均能影響兩種高分子材料的拉伸性能.張琦［5］測(cè)試了橡膠復(fù)合材料的拉伸性能，拉伸速率的變化對(duì)拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)率有顯著影響.Erenkov［6］通過試驗(yàn)證實(shí)，材料的拉伸性能與拉伸速率和儀器精度有關(guān).Molenaar［7］指出，拉伸強(qiáng)度是研究材料抗紫外線老化的重要指標(biāo).張碩［8］測(cè)試了高分子材料凝聚形成膜材料的力學(xué)性能及抗紫外線老化性能，得出了室外日照與箱內(nèi)紫外線輻射時(shí)間的換算關(guān)系.

高分子材料暴露于自然環(huán)境下，受紫外線照射而發(fā)生老化，其拉伸性能逐漸下降.老化是一種不可逆的變化，老化后的材料將喪失其部分使用功能［9］.雖然太陽(yáng)光中的紫外光（UV）只占5%，但它卻是造成高分子材料耐用性能下降的主要光照因素［10］.

SH抑塵劑為高分子聚合物，成分為改性的聚乙烯醇，呈液體狀，遇水可稀釋［11］.噴灑 48，h后，可在棄土表面形成一層膠膜，發(fā)揮抑塵作用.在天津市的建設(shè)場(chǎng)地應(yīng)用 SH抑塵劑，受到紫外線的照射作用，膠膜的力學(xué)性質(zhì)必然發(fā)生弱化［12］.為此，制備 SH抑塵劑膠膜，模擬天津市的紫外線強(qiáng)度，照射膠膜.經(jīng)紫外線老化試驗(yàn)后，測(cè)試其拉伸性能.

1 老化前膠膜的拉伸試驗(yàn)

1.1 膠膜制備與試驗(yàn)方法

1.1.1 膠膜的厚度及成膜時(shí)間

將一定體積的 SH抑塵劑放入底部水平的玻璃容器中，在空氣中自行成膜.天然狀態(tài)下，SH抑塵劑2，d可形成厚0.2，mm的膠膜.膠膜的厚度及成膜時(shí)間見表1.

表1 膠膜的成膜厚度與成膜時(shí)間

1.1.2 膠膜的處理

選取厚度均勻、無破損的膠膜，切割成120，mm× 30，mm的長(zhǎng)條形，膠膜厚度分別為 0.2，0.3，0.4，0.5，mm.

1.1.3 試驗(yàn)儀器與方法

使用 LTW-2000N全自動(dòng)多量程拉伸試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)力和變形允許誤差極限分別為示值的±1%，和± 0.5%，以內(nèi)，試驗(yàn)力示值分辨率為最大試驗(yàn)力的 1/± 200，000.

按照“塑料薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法”（GB 13022—91）進(jìn)行試驗(yàn)，膠膜置于拉伸試驗(yàn)機(jī)的上下夾具之間，下夾具移動(dòng)，拉伸速率為5，mm/min.

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

觀察膠膜的破壞形態(tài)有三種，破壞位置多在膠膜兩端或中部，如圖1所示.

圖1 膠膜的破壞形態(tài)

不同厚度膠膜的拉力與變形關(guān)系曲線見圖2.開始時(shí)，拉力隨膠膜變形的增加迅速增大；變形超過15，mm后，0.2，mm的膠膜拉力迅速降低，發(fā)生拉裂破壞；0.3、0.4和 0.5，mm 的膠膜拉力上升速率減小；達(dá)到最大值后，拉力迅速下降，膠膜很快被拉斷.

圖2 不同厚度膠膜的拉力與變形

圖2顯示，0.2，mm的膠膜在拉伸過程中經(jīng)歷了彈性變形至拉裂破壞兩個(gè)階段.0.3、0.4和 0.5，mm的膠膜在變形超過15，mm后，拉力處于緩慢上升階段，膠膜發(fā)生彈塑性變形，達(dá)到極限拉力后，膠膜破壞.這三個(gè)厚度的膠膜在拉伸過程中經(jīng)歷了彈性變形—彈塑性變形—拉裂破壞三個(gè)階段.

膠膜厚度對(duì)其極限拉力和極限變形的影響如圖3所示.膠膜厚度為 0.2，0.3，0.4，0.5，mm時(shí)，極限拉力相應(yīng)為 115.5，226.2，520.9，708.2，N，極限變形相應(yīng)為 22.8，53.9，107.2，152.1，mm，拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)率為 119.0%，144.9%，189.3%，226.8%，.隨膠膜厚度的增大，極限拉力和極限變形上升趨勢(shì)非常明顯.

圖3 膠膜厚度對(duì)其極限拉伸性能的影響

考慮到膠膜厚度越大，SH抑塵劑的噴灑量就越大，成本越高.為此，結(jié)合圖3的曲線變化趨勢(shì)及數(shù)據(jù)對(duì)比，厚度0.2，mm以上的膠膜均具有良好的抗拉伸性能，可滿足 SH抑塵劑的使用成本和建設(shè)場(chǎng)地抑塵要求.推薦現(xiàn)場(chǎng)噴灑使用量以0.2，mm為宜.

2 紫外線老化試驗(yàn)

2.1 紫外線老化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

紫外光（UV）是造成膠膜耐久性下降的主要光照因素.在模擬陽(yáng)光對(duì)材料的物理性質(zhì)影響時(shí)，只需要模擬短波的UV光即可［13］.

采用熒光紫外燈為光源，通過模擬自然陽(yáng)光中的紫外輻射，對(duì)膠膜進(jìn)行加速耐久性試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其抗老化性能.C/Z-UV紫外老化箱的主要技術(shù)參數(shù)見表2.

表2 C/Z-UV型紫外老化試驗(yàn)箱的主要技術(shù)參數(shù)

采用UVA-340燈管作為模擬365～295，nm的短波光源.老化箱的構(gòu)造如圖4所示.

圖4 C/Z-UV型紫外老化試驗(yàn)箱構(gòu)造示意

天津市春、夏、秋、冬太陽(yáng)總輻射分別為1，613、1，700、1，051和 510，MJ/m2［14］.1961—1990年和 1990—2000年平均日照時(shí)數(shù)分別為 2，721和2，459，h［15-16］.近十幾年來，受空氣霧霾的影響，日照時(shí)數(shù)有所減少.

依據(jù)輻射量的等效關(guān)系，室外日照與箱內(nèi)紫外線輻射時(shí)間的換算關(guān)系見表3.

表3 室外日照與箱內(nèi)紫外線輻射的時(shí)間換算表

通常，按照建筑棄土的現(xiàn)場(chǎng)堆積時(shí)間一年半考慮，選擇測(cè)試?yán)匣?4，d后不同厚度膠膜的拉伸性能.每組試樣3個(gè)，取平均值.

2.2 紫外線老化后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 老化后的膠膜形態(tài)

經(jīng)過紫外線老化 4，d后，不同厚度膠膜的形態(tài)如圖5所示.膠膜表面形態(tài)出現(xiàn)較明顯變化：表面變粗糙；局部出現(xiàn)褶皺和干縮現(xiàn)象；不同厚度的膠膜干縮程度和褶皺情況明顯不同；厚度0.2，mm的膠膜表面產(chǎn)生少許細(xì)小裂紋.

在紫外線的照射下，膠膜表層首先發(fā)生老化，分子鍵被破壞.紫外線不能完全穿透 0.3、0.4和0.5，mm的膠膜，僅引起膠膜表層形態(tài)的變化，產(chǎn)生褶皺和干縮現(xiàn)象.但紫外線可穿透 0.2，mm膠膜表層，照射膠膜內(nèi)部；隨著膠膜內(nèi)部光化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行和膨脹應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間積累，裂紋首先出現(xiàn)在應(yīng)力集中部位.

圖5 箱內(nèi)老化4，d不同厚度膠膜的表面形態(tài)

2.2.2 老化后的膠膜拉伸試驗(yàn)

箱內(nèi)老化 4，d后不同厚度膠膜的拉力與變形如圖6所示.箱內(nèi)老化 4，d后，膠膜的拉力與變形關(guān)系曲線呈拋物線型.開始時(shí)，隨變形的增加，拉力不斷增大；達(dá)到極限值后，隨變形的增加，拉力逐漸下降，直至拉裂破壞.

圖6 不同厚度膠膜箱內(nèi)老化4，d的拉力與變形

2.2.3 老化前后的極限拉伸性能比較

不同厚度膠膜老化前與老化 4，d的極限拉力和極限變形如圖7所示.箱內(nèi)老化 4，d后，厚度分別為 0.2，0.3，0.4，0.5，mm的膠膜，極限拉力相應(yīng)為39.5，89.4，298.5，492.3，N，較未老化前相應(yīng)降低了 65.4%，60.5%，42.7%，27.1%，；極限變形相應(yīng)為 4.8，19.7，48.8，84.6，mm，較未老化前降低了78.9%，63.5%，54.5%，44.4%，.

這是因?yàn)樵谙鋬?nèi)紫外線老化過程中，紫外線照射使膠膜中的分子鏈斷裂，破壞了其分子結(jié)構(gòu).因此，不同厚度的膠膜箱內(nèi)紫外線老化后，極限拉力和極限變形較老化前有所降低.

圖7 不同厚度膠膜老化前與老化4，d的拉伸性能

3 結(jié) 論

SH抑塵劑溶液噴灑于棄土表面，具有良好的成膜性，形成的膠膜具有一定的抗拉伸性能和抗紫外線老化能力，至少可滿足長(zhǎng)達(dá)一年半的建設(shè)場(chǎng)地抑塵要求.

（1）SH抑塵劑溶液噴灑施工簡(jiǎn)便，在天然條件下2，d即可形成膠膜，適宜于建設(shè)場(chǎng)地使用.

（2）老化前，SH抑塵劑膠膜的極限拉力和極限變形隨膠膜厚度的增大而增大.0.2，mm的膠膜在拉伸過程中經(jīng)歷了彈性變形至拉裂破壞兩個(gè)階段；0.3，0.4，0.5，mm 的膠膜經(jīng)歷了彈性變形—彈塑性變形—拉裂破壞三個(gè)階段.

（3）箱內(nèi)紫外線老化 4，d后（相當(dāng)于室外紫外線輻射一年半），膠膜的極限拉力和極限變形均有所降低，拉力與變形關(guān)系曲線呈拋物線型，仍具有一定的抗拉伸性能.

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Ultraviolet Radiation Aging Test on the Film from SH Dust Suppressant

ZHENG Jiaojiao，CHAI Shouxi，ZHU Shujuan，LIU Xiaojia
（School of Geology and Geomatics，TCU，Tianjin 300384，China）

The SH agent can form a layer of film when sprayed on the surface of spoil after 2 days，which can achieve an effect of suppressing the dust.The ultraviolet radiation aging test has carried out in order to investigate the aging of SH film caused by sunshine radiation.The results are as follows：before aging，the SH film has undergone three stages during the deformation process，namely，elastic deformation，elastic-plastic deformation and fracture before ultraviolet radiation aging arises.The ultimate tension and ultimate deformation of the SH film increase with the increment of its thickness.After ultraviolet radiation aging，the curves of tension and deformation are in parabolas.The ultimate tension and ultimate deformation are inferior to that without aging.The SH film has the better property of tensibleness and antiultraviolet radiation aging，which can work as dust suppressant for a year and a half.

SH dust suppressant；film；ultraviolet radiation aging test；tensile properties

X513

A

2095-719X（2016）03-0206-05

2015-04-27；

2015-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（41272335）

鄭嬌嬌（1990—），女，河北保定人，天津城建大學(xué)碩士生.

柴壽喜（1962—），男，教授，博士，從事鹽漬土改性與固化方面的研究.Email：chaishouxi@163.com