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作为三大通用塑料之一,聚氯乙烯(PVC)早已广泛应用于食品包装和饮用水管道中,在使用前或使用过程中,都会进行一次性或持续性的消毒处理,而作为常用消毒剂的含氯消毒剂由于其强烈的氧化性也不可避免地会对塑料制品的性能产生一定的影响,所产生的降解产物对卫生安全性的影响已引起重视并制订了相应的评价标准,但是消毒剂处理过程对材料自身性能的影响却尚未得到太大的关注以及研究。
PVC作为一种广泛应用于包装领域的材料,其阻隔性能并不算好,严重制约了其在高级包装领域的应用,因此,如何有效提高其阻隔性便显得意义重大了。另一方面,对材料阻隔性能的评价目前仍处在使用前的静态评价阶段,而包装材料更易受到环境中不利因素的破坏性作用,造成阻隔性等性能急剧下降,因此研究材料在使用过程中性能的变化,尤其是阻隔性的变化,其重要性不言而喻。
为此本文通过模拟生活用水环境将PVC制品放入含有活性氯的水中,在一定温度下浸泡一定时间后,用总有机碳仪连续测定管材向水中释放的总有机碳(TOC),表征材料对水质的迁移性影响并以此监控管材的氧化降解程度,以建立简单可行的PVC制品服役中卫生安全性的评价方法;并通过每隔一段时间取出部分样品进行动态力学性能(DMA)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、接触角、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等测试,分析活性氯对PVC的结构和性能的影响,探讨降解机理,旨在对该评价技术进行反馈优化。同时,本文还研究了在100mg/L活性氯或110℃热作用下PVC阻隔性能的演变及失效机制,为预测其使用寿命提供指导;在此基础上进行了通过多胺交联提高PVC阻隔性能的研究。
通过建立PVC抗氯性能测试方法的研究,发现:活性氯会加速PVC的氧化降解,其降解程度随接触时间延长而增加。通过配制含2mg/L活性氯的水来模拟生活用水环境,在60℃下浸泡24h后,对溶液进行总有机碳(TOC)测试可以评价材料的抗氯性能。提出了PVC制品抗氯安全性评价的标准草案,建立了PVC制品的卫生安全性能评价技术。
通过将活性氯的浓度提高到100mg/L可以加速抗氯性能评价过程的进行,通过将溶液的pH值调整至近中性可加速抗氯性能评价过程,试验温度升高到70℃则会给评价过程带来干扰。热重分析(TG/DTG)、DMA测试损耗因子峰高及峰位、FTIR、阻隔性能均不适宜用来对材料的抗氯性能进行评价,DMA测试相对储存模量可有效对抗氯性能进行评价,SEM及EDS可对抗氯性能进行评价但受主观因素的影响较大,水的润湿角是最佳的评价指标。
在70℃抗氯性测试中,活性氯降解主要使PVC表面生成羟基、羰基和羧基,消耗的主要基团为双键;活性氯对PVC的降解作用主要局限在离表面较浅的区域内并且使该区域的脆性增大,随着处理时间的延长这个区域向深度方向扩展;材料内部主要发生分子链在热的作用下排列得更加致密规整的过程,表面则变得更加粗糙;次氯酸及其形成的活性分子对脱HCl反应有催化作用;70℃下活性氯的降解作用使PVC与水的接触角随降解时间的延长单调下降,损耗因子峰则持续向高温方向偏移,Tg附近存储模量单调增加。
PVC的氧阻隔性较差,60℃下活性氯的降解作用导致的阻隔性老化缓慢而不规律,在将pH值调整至近中性后阻隔性老化速度明显加快,70℃的实验温度下材料的阻隔性能随处理时间的延长变化不规律;在110℃热(氧)老化试验中,PVC发生了明显的脱HCl反应;同时发生分子链排列得更加致密规整的过程,阻隔性略有改善。通过数据拟合的办法可以有效预测材料的阻隔性能,缩短测试时间,通过计算机模拟的办法验证了该方法的可靠性。
采用多胺交联的办法可有效提高PVC的阻隔性能,仅需加入1份多胺即可使交联度达到98%,氧渗透系数下降为0.011mL.mm/m2.day,有关多胺交联对PVC结构性能的影响还有待进一步深入研究。