熱塑性聚氨酯彈性體耐黃變測(cè)試的影響因素研究

孫文丹，徐 楠，于燕萍，尹 暢，張 娟

(山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南 250100)

熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)加熱可以塑化、溶劑可以溶解，具有優(yōu)良的耐磨、耐低溫、耐油和耐老化性能，已被廣泛應(yīng)用于管材、汽車、電子產(chǎn)品、醫(yī)療以及服裝鞋材等領(lǐng)域［1］。但由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，特別是芳香族異氰酸酯合成的TPU，在受到紫外性照射時(shí)，芳族的二脲橋鍵很容易氧化生成發(fā)色的醌式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致TPU制品泛黃，限制了TPU的應(yīng)用。為了更好地指導(dǎo)TPU應(yīng)用，耐黃變性能測(cè)試成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。目前普遍使用的耐黃變測(cè)試方法主要有四種，氙燈人工加速老化實(shí)驗(yàn)、QUV紫外線加速老化實(shí)驗(yàn)、UVA紫外燈耐黃變測(cè)試、UVB紫外燈耐黃變測(cè)試。它們使用的光源設(shè)備不同，前兩種是采用美國(guó)Q－Lab公司生產(chǎn)的老化實(shí)驗(yàn)箱，設(shè)備較為昂貴。后兩種是基于HG/T 3689－2001《鞋類耐黃變?cè)囼?yàn)方法》開(kāi)發(fā)的方法，在鞋材領(lǐng)域被普遍采用［2］。本文主要討論UVA紫外燈耐黃變測(cè)試中影響測(cè)試結(jié)果的因素，為該方法的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料:選取耐黃變產(chǎn)品和普通產(chǎn)品兩種注塑TPU試片，恒溫恒濕放置24 h后測(cè)試耐黃變性能。

儀器:GT－7035－EUAB耐黃變?cè)囼?yàn)箱，ColorQuest XE色差計(jì)，ISO評(píng)定變色用灰色樣卡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將試片置于耐黃變燈箱中，按照HG/T 3689－2001《鞋類耐黃變?cè)囼?yàn)方法》(A法太陽(yáng)燈法)規(guī)定的條件選用300W燈泡，在50℃下持續(xù)測(cè)試24 h，取出試片，分別使用色差計(jì)和ISO評(píng)定變色用灰色樣卡檢測(cè)試樣變色程度，取平行試樣中最差結(jié)果做為耐黃變結(jié)果。

HG/T 3689－2001《鞋類耐黃變?cè)囼?yàn)方法》中規(guī)定使用灰色樣卡表征試樣的變色等級(jí)。用本灰卡的級(jí)差來(lái)目測(cè)評(píng)定空白試樣與被測(cè)試樣之間的色差。當(dāng)空白試樣與黃變?cè)嚇又g的色差相當(dāng)于灰卡某級(jí)所具有的色差時(shí)，用灰卡所標(biāo)定的級(jí)別來(lái)表征TPU試樣的耐黃變性能?；疑珮涌ü灿形寮?jí)九檔，即5、4、3、2、1五級(jí)，然后在每?jī)蓚€(gè)級(jí)別間再補(bǔ)充半級(jí)［3］?；铱〝?shù)值越小，表示試樣變色程度越嚴(yán)重。

色差計(jì)通過(guò)測(cè)試試樣實(shí)驗(yàn)前后的L、a、b值的變化，計(jì)算得出 ΔE(ΔE=。其中L代表亮度(0為黑色，100為白色)，a代表紅綠(正值為紅色，負(fù)值為綠色)，b代表黃藍(lán)(正值為黃色，負(fù)值為藍(lán)色)。然后將ΔE數(shù)值換算成級(jí)數(shù)，用來(lái)表征試樣的耐黃變性能。ΔE值越高，級(jí)數(shù)值越低，代表試樣的耐黃變性能越差［4］。

2 結(jié)果與討論

耐黃變測(cè)試中影響測(cè)試結(jié)果的因素有光源、光照距離、光照溫度和時(shí)間等，本實(shí)驗(yàn)基于HG/T 3689－2001《鞋類耐黃變?cè)囼?yàn)方法》(A法太陽(yáng)燈法)，固定光源、光照距離、光照溫度和時(shí)間，討論不同表征方法、平行試樣裁取方式、試樣位置、外源性污染對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響［5］。

2.1 不同表征方法對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

色差計(jì)和ISO評(píng)定用灰色樣品兩種表征方法測(cè)得耐黃變測(cè)試結(jié)果，如表1所示。其中1～3為耐黃變TPU平行試樣，4～6為普通TPU平行試樣。

測(cè)試結(jié)果表明ISO灰卡測(cè)試結(jié)果與色差計(jì)測(cè)試結(jié)果一致，兩種試樣都發(fā)生了不同程度的黃變，耐黃變TPU的變色程度低，與產(chǎn)品性能相符。試樣發(fā)生黃變的原因主要有以下幾種:1)聚氨酯彈性體分子鏈段上都具有一定的不飽和鍵，在受到空氣、溫度、日光等多重因素的影響會(huì)老化降解生成黃變基團(tuán);2)聚氨酯材料大多由MDI、TDI等芳香族異氰酸酯合成，其中的芳香族結(jié)構(gòu)受到光熱時(shí)，會(huì)被氧化生成醌式結(jié)構(gòu)而黃變;3)試樣吸收紫外線能量，分子鏈發(fā)生斷裂產(chǎn)生有色基團(tuán)進(jìn)而導(dǎo)致黃變［6－7］。

表1 色差計(jì)和ISO標(biāo)準(zhǔn)變色灰卡表征的測(cè)試結(jié)果Table1 Results tested by color difference meter and ISO grey scale for evaluating change in color

由表1可知，同一個(gè)樣品，ISO灰卡測(cè)得變色程度均比色差計(jì)高，特別是當(dāng)TPU試樣耐黃變性能差時(shí)，二者測(cè)試的數(shù)值差異大，變色等級(jí)相差1.5。這是由于使用色差計(jì)測(cè)試變色等級(jí)時(shí)，以試樣本體作為空白進(jìn)行比對(duì)，消除了試樣制備過(guò)程引入的誤差，如注射不均勻、注射過(guò)程引入雜質(zhì)等。同時(shí)，使用色差計(jì)測(cè)量能有效消除人為誤差，使測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.2 平行樣取樣方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

研究了不同取樣方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，見(jiàn)表2所示。樣品1為耐黃變產(chǎn)品，樣品2為普通產(chǎn)品。每組前三個(gè)試樣裁取自三個(gè)不同的試片，后三個(gè)試樣裁取自同一片試片，于同樣照射條件進(jìn)行耐黃變測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明，從不同試片上裁取的試樣黃變程度略有差異。在同一試片上裁取三個(gè)試樣，測(cè)試結(jié)果的平行性良好，這是由于從給同一個(gè)試片上裁取平行樣品，能有效地消除了注塑試片均勻性、厚度、引入雜質(zhì)及冷卻時(shí)間等造成的影響。

表2 平行樣不同制樣方法對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響Table2 Effect of the parallel sample preparation on the yellowing resistance

2.3 試樣位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

圖1所示為試樣于燈箱環(huán)形區(qū)域放置位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。將同一片試樣裁剪成3份，分別放置于燈箱環(huán)形區(qū)域的不同位置。其中1為耐黃變樣品，2為普通樣品(原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表3)。

圖1 試樣位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響Fig.1 Effect of sample location on the yellowing resistance

表3 試樣位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響Table3 Effect of sample location on the yellowing resisitance

如圖1所示，耐黃變?cè)嚇雍推胀ㄔ嚇拥摩均隨著試樣位置的變化(圓環(huán)外側(cè)到中間再到內(nèi)側(cè))增大，黃變程度逐漸嚴(yán)重。這是由于試樣放置位置直接影響到試樣接受光照的角度。試樣與燈光所成的角度越小(0～90度)，其黃變程度越小。放置于圓環(huán)內(nèi)側(cè)的試樣，試樣與燈光所成的角度接近90度，光照面積最大，輻照強(qiáng)度最高，試樣黃變程度最大。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)將試樣水平放置在光照強(qiáng)度相同的位置。

2.4 外源性污染對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

在試樣測(cè)試過(guò)程中，不可避免的會(huì)引入污染，如裁片時(shí)，刀片與試樣接觸造成污染，夾持試片時(shí)夾具對(duì)試樣表面造成污染。選取耐黃變樣品作為待測(cè)樣品，使用黑色圓珠筆在試樣表面畫(huà)線，測(cè)試不同污染程度對(duì)試樣耐黃變性能造成的影響。每種污染程度選取三個(gè)平行試樣，取最差結(jié)果作為耐黃變結(jié)果。

如表4所示，試樣污染程度越嚴(yán)重，測(cè)試后ΔE越大，由1.38增大到12.08，試樣的耐黃變性能越差。這主要是因?yàn)閳A珠筆油的化學(xué)組成為染料、烴類、油脂等，這些物質(zhì)很容易在試樣表面發(fā)生浸潤(rùn)，由試樣表面向內(nèi)部遷移擴(kuò)散，溫度越高，擴(kuò)散速度越快。污染程度高的試樣更容易發(fā)生變色。因此，在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)避免試樣被污染(尤其是油脂類)，保持樣品表面的潔凈。

表4 不同污染程度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響Table4 Effect of different pollution on the yellowing resistance

3 結(jié)論

本文研究了色差計(jì)和ISO評(píng)定用灰色樣卡表征TPU耐黃變性能的區(qū)別，并考察了取樣方法、試樣位置和外源性污染對(duì)試樣耐黃變性能測(cè)試結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明試樣位置和外源性污染對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。為減小實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差，建議測(cè)試時(shí)從同一潔凈試片上裁取平行試樣，水平放置在燈箱具有可比性的位置進(jìn)行耐黃變?cè)囼?yàn)。采用多次測(cè)量的方法，取其中最差的結(jié)果作為耐黃變結(jié)果。