基于热重分析法测定聚丙烯塑料的氧化诱导时间
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基于热重分析法测定聚丙烯塑料的氧化诱导时间

聚丙烯塑料 (Polypropylene, PP) 具有无毒无味、强度高、良好的电性能等, 单纯的PP较易热氧化, 热氧化会使材料变脆, 引起复合材料力学性能提前丧失[1]。所以, 在PP生产过程中需加入更多合适的抗氧剂和其它稳定剂来增强其热氧稳定性, 从而提高其耐候性和使用寿命。因此, 测定和评价加入的抗氧剂的效果即热氧稳定性对PP的生产和应用具有重要的意义。

近年随着现代测试技术和测试仪器的发展, 利用差示扫描量热法 (Differential Scanning Calorimetry, DSC) 测定材料氧化诱导时间 (oxidative induction time, OIT) 已经成为评价聚丙烯材料热氧稳定性的重要方法[2]。然而使用DSC仪器测试材料的OIT时由于材料在后期发生氧化分解, 会污染DSC仪器中重要却极其敏感的传感器, 多次测试后随着传感器的污染加重, 会导致测试的灵敏度和结果的准确度下降[3]。由于仪器原理和构造的不同, 热重分析仪 (TGA) 不怕被测材料的分解, 更加适合做涉及分解的测试[4]

本工作基于热重分析法 (TG) 测定PP的OIT, 综合研究试样试验温度、试样质量等各种关键测试条件对OIT测试结果的影响, 确定基本的测试条件, 使测试结果尽可能真正反映材料本身的热氧稳定性。本工作所得的结果能够简单快速地评价热氧化稳定性, 为高分子类新产品开发研究、性能评价提供了一种很好的借鉴。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

聚丙烯塑料 (PP) :市售。

热重分析仪:美国TA公司, 型号TGA Q5000IR。

1.2 试验步骤

称取样品 (17 mg、18 mg、21 mg、22 mg) 放入坩埚中, 确保试样与坩埚底部充分接触。在氮气氛围下, 以10℃/min的升温速率升至试验温度 (200℃、210℃、220℃) 。达到试验温度后, 使试样在氮气环境下恒温10 min。立即将40 ml/min的氮气流切换为40 ml/min的氧气流。继续恒温, 直到试样完全氧化, 结束试验。

2 结果与讨论

2.1 P P试样的O I T分析

图1为PP试样 (18 mg) 在200℃下的TG曲线图。由于在氮气气氛中, 试样重量几乎没有变化, 当在氧气气氛时试样的重量发生一点变化都能够被仪器检测出来。从图中我们可以清楚的看到, 在25.85 min时N2转换成O2, 这表明氧化从此刻开始;在吹扫气变化中, 温度不存在差异, 说明N2与O2具有相似的热效应;当将测定时间延长40 min, 可观察到试样的失重是增重的4倍, 可见试样在氧化时会导致试样质量的增加, 当氧化降解时试样质量又会急剧下降;此PP试样的OIT为120.88 min。

图1 200℃下PP试样 (18 mg) 的TG曲线

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2.2 测试温度对P P试样O I T的影响

保持其他程序不变, 改变试验温度 (200℃、210℃、220℃) , 研究不同试验温度对PP试样OIT的影响。

图2为PP试样 (18 mg) 在不同测试温度下的TG曲线图。表1为PP试样在不同测试温度下的OIT数据。

从图2的TG曲线中, 我们可以看出测试温度对PP试样的OIT的影响极为显著, 随着测试温度的增加, PP试样的OIT不断下降。这是因为, 在较高温度下, 试样与氧气反应的速率加快[5], 使得抗氧化剂的消耗速度加快。从表1可看出, 相同样品质量PP样品试样在200℃、210℃、220℃的OIT分别为120.56 min、50.16 min、21.29 min, 220℃比200℃的OIT减少了99.27 min。因此, 一个合适的测试温度可以得到较好分辨率的测试数据。

2.3 样品质量对P P试样O I T的影响

确定试验温度为200℃, 保持其他程序不变, 改变样品质量 (17 mg、18 mg、21 mg、22 mg) , 研究不同样品质量对PP试样OIT的影响。图3为不同样品质量的PP试样在200℃测试温度下的TG曲线图。图4为PP试样的OIT随样品质量的变化曲线。

图2 不同测试温度下PP试样 (18 mg) 的TG曲线

图2 不同测试温度下PP试样 (18 mg) 的TG曲线   下载原图

 

表1 不同测试温度下PP试样 (18 mg) 的OIT数据    下载原表

表1 不同测试温度下PP试样 (18 mg) 的OIT数据
图3 不同样品质量下PP试样的TG曲线

图3 不同样品质量下PP试样的TG曲线   下载原图

 

从图3和图4中, 我们可以看出, 随着样品质量的增加, PP试样的OIT逐渐下降。这是因为质量小的PP样品, 内部发生明显的氧化, 使得OIT较长;而质量大的PP样品, 常常只是表面发生了氧化, 内部发生的氧化反应不显著, 使得OIT较短[6]

图4 P P试样的O I T随样品质量的变化曲线

图4 P P试样的O I T随样品质量的变化曲线   下载原图

 

3 结论

不同的测试温度和样品质量均会对T G测定P P的O I:T产生较大的彰晌, P P的O I T随着测试温度的上升而明显下降, 随着枰品质量的増加而不断下降, 由此可见, 选取合适和规范统一的测试温度和样品质量对于得到具有重复性和可比性的测试数据非常重要。