软质聚氯乙烯(PVC)具有优异的力学性能、较低的成本、较好的加工性能,被广泛用于电线电缆材料[1]。然而在实际应用中,PVC电线电缆容易受到紫外线以及雨水的冲刷,导致其发生老化以及腐蚀,使其力学性能以及耐用性下降,增加了电缆的维护成本[2]。对PVC进行改性从而提高其抗老化和耐腐蚀性能,成为PVC电缆材料研究中的热点。通常添加填料可改善PVC的抗老化以及耐腐蚀性能,如二氧化钛纳米粉、紫外吸收剂以及生物质填料等[3-4]。李影等[5]在PVC木塑材料中加入苯并三唑紫外吸收剂,研究其在不同条件下的抗老化性能。结果表明:紫外照射3 000 h后,材料色差相较于常规配方降低58%,表明具有良好的抗老化性能。祁睿格等[6]在麦秸/PVC中加入不同的抗老化剂(UV-531,1010和168)进行长时间户外老化,研究其力学性能变化。结果表明:抗老化剂UV-531的效果最佳,添加UV-531的复合材料的弯曲强度和拉伸强度相较于原始材料分别提高了5.87%和6.44%。然而大部分研究中只提到抗老化性能,而对于耐腐蚀性能研究较少。因此,增强PVC复合材料抗老化性能的同时增强耐腐蚀性能,是目前电缆材料研究的重点之一。等离子体表面刻蚀是一种用于改善材料表面性能的策略,可以得到超疏水表面从而增强材料的抗腐蚀性能[7]。本实验在PVC母料中添加UV-531紫外吸收剂,制备抗老化PVC材料(PVC/UV,)。采用全氟丁烷对PVC/UV进行等离子表面处理得到PVC材料(FPVC/UV),并对其表面润湿性、力学性能、耐老化性能以及抗腐蚀性能进行研究。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)母料,SG5,成都金龙化工有限公司;钙锌抗氧化剂,603-Ca-Zn,603,金阳化学试剂有限公司;紫外吸收剂,UV-531,天津大茂试剂厂;全氟丁烷,化学纯,湖北新明泰气体有限公司;盐酸,分析纯,国药制药有限公司。1.2仪器与设备密炼机,CF-25,西安长兴设备公司;压片机,T-5132,北京华德仪器厂;盐雾试验机,R-63,东莞世研精密仪器公司;紫外老化灯,S-70,武汉启恩科技发展有限公司;全自动单一纤维接触角测量仪,OCA200,德国dataphysics公司;扫描电子显微镜(SEM),SU8100,日本日立公司;万能试验机,WDW-S,济南文腾试验仪器有限公司。1.3样品制备表1为FPVC/UV复合材料的配方。按表1配方称取PVC粉末、紫外吸收剂和抗氧化剂加入高速混合机中混合均匀。将混合料加入密炼机,密炼温度为180 ℃,时间为5 min。密炼结束后将材料在开炼机上进行开炼得到片状材料。使用等离子喷枪对得到PVC片材进行刻蚀处理,处理速度为60 mm/min,功率设置为30 kW,等离子体气源为全氟丁烷,气体流速设置为50 mL/min。处理完毕后,得到FPVC/UV复合材料。不经过等离子刻蚀的材料标记为PVC/UV。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.T001表1FPVC/UV复合材料的配方Tab.1Formula sheet for FPVC/UV composites样品PVC粉末UV-531603-Ca-ZnFPVC96.004.0FPVC/UV-194.51.54.0FPVC/UV-293.03.04.0FPVC/UV-391.54.54.0FPVC/UV-490.06.04.0%%1.4性能测试与表征力学性能测试:拉伸性能按GB/T 11793—2008进行测试,哑铃状样条,尺寸为100 mm×70 mm×1 mm,测试速度为30 mm/min。冲击性能按GB/T 1043.1—2008进行测试。SEM分析:脆断后喷金处理,观察样品表面形貌。白度测试:按GB/T 2913—1982测试老化前后样品的白度,得到白度保持率。抗老化时间测试:按GB/T 5761—2018测试材料的白度检验PVC材料老化情况[8],测试FPVC/UV和PVC/UV复合材料在紫外老化条件下白度保持率为70%和60%的时间,分别记为D1和D2。质量损失率测试:测试老化不同时间下的样品的质量变化,并得到质量损失率。老化实验:样品放置在60 ℃烘箱中,并将紫外老化灯放置在烘箱上部,持续不同时间,测试样品的各项指标。抗腐蚀老化实验:将样品放置在盐雾试验机中,其中盐雾溶液为1 mol/L的HCl水溶液,温度设置为60 ℃,同时将紫外老化灯放置在盐雾机上部进行抗腐蚀老化实验。水接触角测试:微型注射器滴5 μL水在材料表面,使用接触角测试对其水接触角进行测量。2结果与讨论2.1力学性能分析图1为不同PVC复合材料的力学性能。图1不同PVC复合材料的拉伸强度与冲击强度Fig.1Tensile strength and impact strength of different PVC composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F1a1(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F1a2(b)冲击强度从图1可以看出,在FPVC/UV和PVC/UV复合材料中,随着紫外吸收剂UV-531含量的增加,拉伸强度以及冲击强度均表现出先增加后下降的趋势。FPVC/UV-3的拉伸强度以及冲击强度达到最大,分别为57.6 MPa和4.13 kJ/m2,PVC/UV-3的拉伸强度和冲击强度最优,分别为57.9 MPa和4.15 kJ/m2。紫外吸收剂作为小分子可以有效地填充PVC基体,缓解部分应力使得力学性能增强,而紫外吸收剂含量过多,其发生渗漏的概率增加从而降低复合材料的力学强度[9-10]。同比例下,与PVC/UV复合材料相比,FPVC/UV复合材料的力学性能未明显下降,表明等离子表面刻蚀工艺不会对材料本身的性能造成影响。2.2SEM分析图2为不同PVC复合材料的SEM照片。从图2可以看出,纯PVC表现为光滑的树脂结构。而加入紫外吸收剂后,PVC/UV-3和FPVC/UV-3的内部结构并未表现明显差异,说明二者的性能不会因为紫外吸收剂的加入而发生改变,这一结果与力学性能结果一致。加入紫外吸收剂后复合材料的力学性能增强,主要来源于紫外吸收剂可以有效地填充PVC基体从而缓解部分应力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F002图2不同PVC复合材料的SEM照片Fig.2SEM images of different PVC composites2.3抗老化性能分析通过白度变化可以有效了解PVC复合材料的老化情况。图3为不同PVC复合材料的抗老化时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F003图3不同PVC复合材料的抗老化时间Fig.3Anti-aging time of different PVC composites从图3可以看出,FPVC/UV和PVC/UV的抗老化时间均随着紫外吸收剂的增加呈现先增加后降低的趋势,并且在3号样品中达到最佳值。由于紫外吸收剂的加入可以通过其分子中共轭键的转换,使紫外光转换为无害的能量如荧光,从而释放出PVC复合材料,提高了PVC复合材料的抗老化能力。而紫外吸收剂进一步增加时,其在PVC基体中发生渗漏的概率增大,从而使抗老化性能下降[11]。FPVC/UV-3的D1和D2分别为7.8 h和10.6 h,PVC/UV-3的D1和D2分别为7.6 h和10.5 h,二者的时间没有明显差别,表明等离子体修饰对于材料的抗紫外老化性能并没有明显提升。综合分析,3号样品具有最佳的力学性能以及抗老化性能。2.4耐腐蚀性能分析由于PVC电缆材料在使用时不仅会受到紫外的老化,还受到雨水以及各种腐蚀性物质的侵蚀。采用紫外光照射的盐雾试验机对PVC复合材料的耐腐蚀性能进行研究。图4为不同PVC复合材料在腐蚀条件下的性能变化。图4不同PVC复合材料在腐蚀条件下的性能变化Fig.4Performance changes of different PVC composites under corrosion conditions10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F4a1(a)白度保持率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F4a2(b)质量损失率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F4a3(c)拉伸强度下降率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F4a4(d)缺口冲击强度下降率从图4a可以看出,FPVC/UV复合材料具有更好的白度保持率,FPVC/UV-3在10 h的腐蚀老化后白度保持率较高,为0.73%,表明其具有更好的抗腐蚀老化性能。由于FPVC/UV具有更好的疏水性,可以更好地抵抗腐蚀性液体对其的腐蚀作用,从而保持了更好的白度。从图4b可以看出,对不同PVC复合材料的质量损失率,FPVC/UV-3样品的质量损失率最低,为6.9%,低于其他样品。从图4c和图4d可以看出,在腐蚀老化10 h后,不同PVC复合材料的拉伸强度和冲击强度均下降。PVC的拉伸强度和冲击强度分别下降42.1%和29.7%,表明不经紫外吸收剂和等离子刻蚀的原始PVC材料抗腐蚀老化能力较差。然而加入紫外吸收剂后,其力学性能下降幅度均呈现先降低后增加的趋势,这一现象与紫外吸收剂的抗老化作用一致。值得注意的是经过等离子刻蚀后,FPVC/UV材料的力学性能下降率低于PVC/UV材料,FPVC/UV-3的拉伸强度和冲击强度最低,下降率分别为15.4%和11.6%。由于等离子刻蚀后FPVC/UV复合材料具有优异的疏水性,可以有效地抵抗腐蚀性液体对其产生的腐蚀作用,从而表现出更佳的抗腐蚀老化作用。因此,FPVC/UV-3具有最佳的综合性能,后续均采用此样品进行对比测试。图5为不同PVC复合材料的水接触角。从图5可以看出,PVC/UV复合材料的水接触角为37°,表现出一定的亲水性,无法有效抵抗腐蚀性液体的侵蚀从而抗腐蚀老化性能较差。而经过等离子刻蚀后,FPVC/UV的接触角达到163°,具有优异的超疏水性。由于刻蚀在表面的全氟丁烷具有优异的疏水性,使得PVC表面呈现优异的疏水性[12]。结果表明,经过等离子刻蚀后,PVC表面被成功修饰,这一疏水性赋予PVC复合材料优异的抗腐蚀老化性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F005图5不同PVC复合材料的水接触角Fig.5Water contact angle of different PVC composites2.5耐久性能分析图6为不同PVC复合材料的抗腐蚀老化性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.013.F006图6不同PVC复合材料的抗腐蚀老化性能Fig.6Corrosion aging resistance of different PVC composites从图6可以看出,随着老化时间的增加,材料的质量损失率均发生增大,并且纯PVC表现出最大的质量损失率,表明其抗腐蚀老化性能较差。而在FPVC/UV中,由于其经过等离子刻蚀以及紫外吸收剂修饰,表现出最佳的抗腐蚀老化性能,在60 h的腐蚀老化测试下其质量损失率仅为14.23%,具有优异的抗腐蚀性和抗老化性能。3结论(1)紫外吸收剂的光屏蔽效应可以有效地提高PVC材料的抗紫外老化性能,在紫外吸收剂含量为4.5%时,FPVC/UV和PVC/UV均具有最佳的抗紫外老化性能,FPVC/UV-3的D1和D2分别为7.8 h和10.6 h,PVC/UV-3的D1和D2分别为7.6 h和10.5 h,二者未表现明显差别。(2)抗腐蚀老化测试中,来源于等离子刻蚀赋予的疏水性,FPVC/UV-3相较于PVC/UV-3具有更为优异的抗老化性能,质量损失率仅为6.9%,力学性能下降最低,拉伸强度和冲击强度分别下降15.4%和11.6%。(3)FPVC/UV-3表现出优异的耐久性能,在60 h的腐蚀老化测试下质量损失率仅为14.23%,相对于其他材料,具有较好的实用性。