聚丙烯塑編制品的穩定化與應用技術

李 杰，時 凱，孫書適

(北京加成助劑研究所，北京，100070)

聚丙烯塑編制品的穩定化與應用技術

李 杰，時 凱，孫書適

(北京加成助劑研究所，北京，100070)

根據聚丙烯樹脂及塑編制品的熱、氧、光老化特性，以及影響聚丙烯樹脂及塑編制品穩定性能的若干因素，論述了塑料抗氧劑、光穩定劑及JC－1225、JC－790B對聚丙烯及塑編制品的防老化穩定作用。說明國產防老化穩定體系用于聚丙烯塑編制品，可以滿足紫外試驗和自然光暴曬下的穩定性能，可以達到預期的試驗檢驗和實際使用要求。

聚丙烯;編織制品;穩定化;JC－1225;JC－790B;應用技術

塑料材料因分子結構不同，或同分子結構因聚合工藝不同、加工工藝不同、使用環境和條件不同，自身的熱氧化、光氧化反應速度和抗熱氧化、光氧化反應能力有很大不同。

聚烯烴分子中存在叔碳原子，是容易被氧化的塑料材料，更易降解、老化。聚丙烯樹脂在造粒、儲存、加工成型、制品使用的各個階段，都會發生降解，使聚丙烯塑編制品的物理機械性能逐步降低，最終導致塑編制品失去使用價值。

氧或熱氧化、光氧化在聚丙烯的降解中起到了最重要的作用，聚丙烯的穩定化技術或防老化技術的本質，是有效地延緩熱氧化、光氧化降解的速度。

1 聚丙烯及其塑編制品的老化與防老化

1.1 聚丙烯及其塑編制品的老化

聚丙烯本體結構單元、殘留催化劑、合成和加工過程熱氧化及機械剪切力產生的羰基、羧基、氫過氧化物、烷氧自由基、溶解氧、電荷轉移配合物等雜質，或吸收太陽紫外線、受激形成激發態，離解產生活性自由基，引發發生鏈鎖式自由基反應，使聚丙烯高分子鏈段持續發生斷裂、降解。

以RpH代表聚丙烯樹脂分子，在熱、氧、光或重金屬離子的作用下，聚丙烯樹脂降解的簡單過程如下:

聚丙烯材料老化的根源在于不斷產生的活性自由基，連續地進行著鏈引發、鏈增長的降解反應，降解反應在加工和使用過程中持續進行。

二次聚丙烯(企業產生的邊、角料)和回收聚丙烯中已經產生了烷氧自由基、氫過氧化物等活性自由基，在回用加工和使用過程中，將引發并加快聚丙烯塑編制品的降解或老化。

1.2 聚丙烯及其塑編制品的防老化助劑

聚丙烯塑編制品主要分為編織袋、集裝袋、化肥袋、水泥袋(或瀝青袋)、篷布、土工布、網眼袋、絲繩等類別，部分制品在使用過程中要具備耐熱、耐紫外光、耐回用及耐水浸泡等功能。

抗氧劑和光穩定劑是添加于聚丙烯材料中，有效地抑制或降低聚丙烯大分子的熱氧化、光氧化反應速度，顯著地提高塑編制品的耐熱、耐光性能，延緩塑編制品的降解、老化過程，延長塑編制品使用壽命，提高塑編制品使用價值的功能助劑。

聚丙烯樹脂或塑編制品常用的塑料抗氧劑，按分子結構和作用機理一般分為四類:受阻酚類、亞磷酸酯類、硫代類及復合類。

受阻酚抗氧劑是塑料材料的主抗氧劑，其主要作用是與塑料材料中因氧化產生的氧化自由基R·、ROO·反應，中斷活性鏈的增長。亞磷酸酯抗氧劑和含硫抗氧劑同為輔助抗氧劑。輔助抗氧劑的主要作用機理是通過自身分子中的磷或硫原子化合價的變化，把塑料中高活性的氫過氧化物分解成低活性分子。

不同類型主、輔抗氧劑，或同一類型不同分子結構的抗氧劑，作用功能和應用效果存在差異，各有所長又各有所短。復合抗氧劑由二種或二種以上不同類型或同類型不同品種的抗氧劑復配而成，在塑料材料中可取長補短，顯示出協同效應，以適當加入量、適當成本而達到適用的抗熱氧老化效果。協同效應是指兩種或兩種以上的助劑復合使用時，其應用效應大于每種助劑單獨使用的效應加和，即1+1＞2。

聚丙烯樹脂或塑編制品常用的光穩定劑，一般按作用機理分為光屏蔽劑、紫外線吸收劑和受阻胺光穩定劑三類。光穩定劑主要作用為:屏蔽光線、吸收并轉移光能量、猝滅或捕獲自由基。

受阻胺光穩定劑(HALS)是一類具有空間位阻效應的有機胺類化合物，因其具有分解氫過氧化物、猝滅基發態氧、捕獲自由基、且有效基團具可循環再生功能，是國內外用量最大的一類光穩定劑，高分子受阻胺也是高效的抗氧劑。紫外線吸收型光穩定劑通稱為紫外線吸收劑，這類光穩定劑是利用自身分子結構，將光能轉換成熱能等形式，避免塑料材料發生光氧化反應而起到光穩定作用。紫外線吸收劑根據分子結構不同分為二苯甲酮類和苯并三唑類等。光屏蔽劑有炭黑、鈦白粉、氧化鋅等。

1.3 影響塑編制品穩定性的因素

1.3.1 多次擠出對塑編制品穩定性的影響

聚丙烯樹脂經擠出加工制得塑編制品。在加工過程中，高溫、剪切力和微量氧的存在，致使聚丙烯樹脂發生降解。

表1列出了聚丙烯樹脂一次和二次擠出后的熔體流動速率。由表1可以看出，雖然有抗氧劑的保護，但聚丙烯樹脂經二次擠出后的熔體流動速率顯著提高。

表1 二次擠出對聚丙烯穩定性的影響Table 1 Influence of quadrate extrusion on polypropylene’s stabilization

加工過程的降解不僅直接對塑編制品的物理性能、機械性能、外觀色澤有負面作用，而且對塑編制品使用過程中的穩定性能也有負面作用。

在聚丙烯樹脂中添加母料生產各類聚丙烯編織制品，已經是塑編加工行業普遍使用的方法。對于添加母料進行加工、生產的塑編制品來說，生產母料所用的載體聚丙烯樹脂，在塑編制品生產過程中經過再次受熱擠出時，載體聚丙烯樹脂再次發生熱降解和機械降解，進而引發并加速塑編制品在使用過程中的熱、氧、光老化。因此，雖然母料中的載體聚丙烯樹脂在塑編制品中所占比例不大，但其經二次或二次以上受熱而產生的引發并加速老化的問題，及對塑編制品老化性能的影響，應引起母料生產企業和塑編制品加工企業的重視。

在一般情況下，對于母料生產企業和使用部分二次聚丙烯或回收聚丙烯生產塑編制品的企業，應該在加工過程使用抗氧劑穩定體系。

1.3.2 使用溫度對塑編制品穩定性的影響

塑編制品的使用溫度或熱環境，對塑編制品的使用穩定性有明顯影響，如熱裝水泥袋、瀝青袋等。表2、表3列出了不同溫度條件，影響聚丙烯穩定性的試驗數據。

表2 不同溫度對聚丙烯的穩定性的影響(單一抗氧劑)Table1 Influence of different temperature on polypropylene’s stabilization(single antioxidant)

表3 不同溫度對聚丙烯的穩定性的影響(組合抗氧劑)［1］Table1 Influence of different temperature on polypropylene’s stabilization(multi antioxidant)

表2、表3數據說明，使用溫度提高，塑編制品的使用穩定性大幅度降低。

表3所示的三個抗氧劑體系:①烘箱溫度125℃與150℃相比較，抗氧劑3114+DSTP體系的熱穩定天數，由體系中最高的136天變為最低的25天;②烘箱溫度140℃與150℃相比較，環境溫度只提高10℃，三個抗氧劑體系的熱穩定天數均顯著減少。其中抗氧劑3114+DSTP體系，150℃的熱穩定天數僅為140℃熱穩定天數的1/3～1/4之間。

熱裝水泥袋破損，或熱裝瀝青袋粘成一體的現象，就是水泥袋、瀝青袋發生熱氧老化的實例。

1.3.3 熱處理對塑編制品穩定性的影響

表4列出了聚丙烯絲無熱處理，和經150℃、20分鐘熱處理后的對比試驗數據。

表4 熱處理對聚丙烯絲的光穩定性影響Table 4 Influence of thermal treatment on light stability of PP fibers

表4試驗結果顯示，聚丙烯絲無熱處理時，HALS770的光穩定效果明顯。然而聚丙烯絲經150℃、20分鐘熱處理后，HALS770光穩定效果大幅度下降，穩定時間僅為無熱處理的1/5～1/7左右，主要原因是HALS770耐熱性能和耐抽出性能相對較差。

1.3.4 填充材料對塑編制品穩定性的影響

碳酸鈣(CaCO3)、炭黑等填充材料的添加，對塑編制品的穩定作用有負面影響。

表5為不同碳酸鈣CaCO3填充母料，用于不同穩定配方的聚丙烯編織袋，經過120天自然暴曬后對光穩定性的影響。數據顯示，不同CaCO3填充母料，對聚丙烯編織袋光穩定性的影響不同，最高可達50%左右。

表5 不同碳酸鈣填充母料用于聚丙烯編織袋的拉伸強度保留率(%)Table 5 Influence of adding CaCO3on polypropylene’s stabilization

表6為添加炭黑的聚丙烯穩定性試驗數據表。添加炭黑后，聚丙烯樣片的熱老化脆化時間，僅為沒有添加炭黑的1/10～1/15。

表6 添加炭黑對聚丙烯穩定性的影響Table.6 Influence of adding carbon black on polypropylene’s stabilization

制造防老化塑編制品，如果使用鈦白粉，必須使用經過表面處理或包覆的鈦白粉。經表面處理或包覆的高純、優質鈦白粉，如果在高攪混料機或擠出機進料段停留時間過長，可因劇烈摩擦而破壞部分鈦白粉的表面處理層或包覆層。即使塑編制品中加入了高效抗氧劑、光穩定劑，制品的實際耐熱氧老化性能和耐光老化性能也可能難以達到使用要求。

1.3.5 液體物質對塑編制品穩定性的影響

與水等液體物質接觸，是部分塑編制品的實際使用功能之一，如篷布、土工布、絲繩的日常使用等。表7為熱水對聚丙烯穩定性的影響試驗數據表。

表7 熱水對聚丙烯穩定性的影響［2］Table 7 Influence of hot water on polypropylene’s stabilization

表7數據說明，聚丙烯樣片在90℃水中浸泡180天后，熱老化試驗時的脆化天數明顯減少，熱氧穩定性明顯降低。水等液體物質，對聚丙烯的光穩定性有同樣負面影響。

1.3.6 酸性物質對塑編制品穩定性的影響

酸性物質(包括含硫物質)，如酸性著色劑、酸性農藥、酸性化肥、酸性水質、酸雨、ZnS等，對聚丙烯中受阻胺類穩定劑HALS的穩定效果有明顯的削弱作用，主要原因是酸根離子抑制受阻胺類穩定劑生成氮氧自由基NO·。這也是一些防老化塑料制品提前破損，提前失去使用價值的原因之一。

表8為硫代酯抗氧劑對聚丙烯中受阻胺光穩定劑HALS穩定作用影響的試驗數據。硫代酯抗氧劑對低分子和聚合型高分子受阻胺穩定劑HALS的穩定效果，均有明顯的削弱作用。

表8 硫代酯抗氧劑對受阻胺光穩定性的影響Table 8 Influence of thioether antioxidant on HALS light stabilizers

1.3.7 著色劑對塑編制品穩定性的影響

著色劑對著色塑編制品中熱氧和光穩定劑作用的影響，主要有二方面。

一是無機著色劑含銅、錳、鎳、鉻等重金屬元素或雜質，具有熱敏性、光敏性、光活性，催化并加快塑料材料的熱、光老化速度。含有游離銅和雜質的酞菁藍會促使聚丙烯光老化;氧化鐵紅可使聚丙烯中苯并三唑、二苯甲酮、有機鎳鹽光穩定劑的效能下降20%以上。

表9為鉻黃對回收聚丙烯穩定作用的試驗數據。回收聚丙烯中沒有加入鉻黃時(試樣1)，脆化時間為1500小時。加入鉻黃后(試樣2)，脆化時間減少了570小時;即使加入0.2%的復合抗氧劑后(試樣3)，脆化時間仍減少了300小時。加入鉻黃，并加入復合抗氧劑和光穩定劑后(試樣4)，脆化時間僅僅增加了700小時。鉻黃中的重金屬離子，對回收聚丙烯的熱氧化、光氧化有催化作用。

表9 著色劑鉻黃對回收聚丙烯穩定性的影響Table 9 Influence of coloring agent chrome yellow on stabilization of recycle PP

二是某些分子結構的有機著色劑可與光穩定劑發生作用，直接削弱光穩定劑的效能。在聚丙烯中，偶氮紅、黃可與受阻胺光穩定劑HALS發生作用，偶氮縮合紅BR、偶氮縮合黃3G可使受阻胺光穩定劑作用分別下降25%和50%左右。

F.Steinlin和W.Sear用不同著色劑(1%)、抗氧劑1010(0.1%)、光穩定劑 HALS 770(0.5%)和聚丙烯于285℃下紡絲，并拉伸4倍，得到80分特/24根的纖維。此纖維經過氙燈光老化試驗，當強度下降50%時，對樣品所受輻射量進行對比。對比結果說明，用有機顏料黃、紅、橙分別著色的聚丙烯纖維，雖然加入抗氧劑和受阻胺光穩定劑，但其穩定性低于未著色的聚丙烯纖維［3］。

2 聚丙烯塑編制品的穩定化技術與應用

2.1 人工加速老化和戶外自然暴露試驗

評價聚丙烯集裝袋和編織袋的耐老化性能，可以通過人工加速老化實驗及戶外暴露耐候性試驗來測得。

人工加速老化實驗是將試驗樣品放在試驗設備中，可同時或交替地受到光、氧、熱和濕度等因素的作用，在這種條件下，主要的環境參數均可較容易地保持相對穩定，因此所得到的數據就有可能保持良好的重復性。

目前，國際上認可的人工加速老化方法為ASTM G154－06，使用UVB313燈管，60℃下8小時輻射暴露，50℃下4小時無輻射暴露交替進行。通常要求集裝袋200小時試驗后，斷裂拉伸強度保留率:經線≥70%、緯線≥50%;編織袋144小時試驗后，斷裂拉伸強度保留率:經線≥50%、緯線≥50%。

戶外暴露試驗是將試驗樣品放到特定試驗場所直接受到特定氣候條件作用，并且一般試驗時間很長，數月甚至數年，所得到的數據相對符合塑編制品的使用環境。

按上述紫外加速老化后檢測合格的產品，在真實的使用環境中使用時，抗老化效果會有差異，尤其在添加填充料的情況下添加受阻胺光穩定劑時，其抗老化的效果不穩定。集裝袋和編織袋的戶外暴露試驗雖然耗時長，人力和財力投入大，但所得的試驗數據基本符合實際使用要求，可以用于集裝袋、編織袋的防老化質量評價和防老化效果監測。

2.2 高效抗氧劑在聚丙烯中的應用

聚丙烯加工，尤其是聚丙烯絲的制造，擠出或紡絲工藝要求極為嚴苛，其工藝溫度高達300℃左右。熱裝水泥袋、瀝青袋等需要在60℃左右的溫度下使用一段時間;夏季露天使用的篷布在陽光照射下，表面溫度可達70℃。對于有耐熱使用要求的聚丙烯塑編制品，高效抗氧劑JC－1225可以提供良好的加工和使用穩定性。

加入不同抗氧劑的聚丙烯熔融指數變化見表10。可以看出，添加傳統復合抗氧劑225或JC－1225均有效地延緩了聚丙烯多次擠出熔融指數的增加，且抗氧劑JC－1225的效果優于通用抗氧劑225。

表10 不同抗氧劑對聚丙烯熔體流動性的影響Table 10 Influence of different antioxidants on flowing property of PP melt

2.3 JC－790B在塑編制品中的應用

JC－790B為用于聚丙烯集裝袋、編織袋、注塑制品的耐候防老化助劑，表11、表12、表13列出了JC－790B在聚丙烯集裝袋和編織袋中的使用效果。

表11 JC－790B與進口某品牌助劑在集裝袋中的對比老化試驗Table 1 Ageing database of bulk bag within JC－790B and specified foreign product

(續上表)

表12 使用JC－790B的聚丙烯集裝袋UV老化和自然暴曬試驗Table 12 UV test and natural ageing Database of PP bulk bag within JC－790B

表13 使用JC－790B的聚丙烯編織袋UV老化和自然暴曬試驗Table 13 UV test and natural ageing Database of PP fabric bag within JC－790B

表11、表12、表13的數據說明，經與國外同類產品、配方進行對比，并經過國內外廠家的實際使用，及2009年和2010年在新疆南疆進行的自然光暴曬試驗，JC－790B的抗老化效果優良，不僅能夠滿足人工加速老化試驗的要求，更重要的是經過自然光暴曬試驗，自然光暴曬的抗老化效果與人工加速老化試驗相當。

隨著國內石油化工工業、塑料制品加工工業和特殊化學品工業的發展，塑料材料、塑編制品和塑料抗氧劑、光穩定劑的品種種類、品種數目不斷增加，質量不斷提高，塑料編織制品的市場開始向多樣化和細分化方向發展。聚丙烯編織制品的生產技術發展和在國內、國際的廣泛應用，對聚丙烯編織制品老化問題的研究和防老化技術的應用提出了更高的要求。為了適應塑編織制品市場的發展，國內塑料防老化應用技術和應用水平均亟待提高。

塑編制品有特殊的防老化使用要求時，僅僅使用通用抗氧劑或光穩定劑，一般很難滿足特殊的防老化使用要求。高效抗氧劑JC－1225和耐候防老化劑JC－790B，可以用于有特殊防老化使用要求的塑編制品。

開發塑料防老化應用技術，使用高性能價格比的塑料防老化助劑產品，不僅可以提高塑編制品企業的產品技術含量和產品附加價值，增加國產塑編制品在國際市場的競爭力，而且對節約寶貴的自然和石油資源，節能減排，保護生態環境，都具有十分重要的經濟和社會意義。

［1］于文杰，李杰，鄭德等.塑料助劑與配方設計技術［M］.北京:化學工業出版社，2010:254.

［2］Hans Zweifel，RalpHD.Maier，Michael Schiller，et al.Plsstics Additives Handbook［M］.6thEdition，Munich，Hanser Publisher，2009.

［3］李杰，吳立峰.著色劑對塑料制品中抗氧劑、光穩定劑效能的影響［J］.塑料工業，2004，32(2):46－48.

Stabilization and Application of Polypropylene Fabric Products

LI Jie，SHI Kai，SUN Shu-shi
(Beijing Additives Institute，Beijing 100070，China)

According to the ageing character of Polypropylene itself and other influencing factors that may be effect on the anti-ageing performance of polypropylene and PP fabric bag，in this paper we expound how the common antioxidants and light stabilizers protect the resins at first，then we represent the way our products JC-1225 and JC-790B to settle the problem.Our test data proved that the domestic anti-aging recipe JC-1225 and JC-790B used for PP fabric have better anti-UV performance than other products，which can easily meet the requirements we expect of both UV test and reality use.

PP;fabric;ton bag;stabilization;JC-1225;JC-790B;application

TQ 325.1+4

2011－04－11