屏蔽紫外光、过滤蓝光改性eva透明功能薄膜

屏蔽紫外光、过滤蓝光改性EVA透明功能薄膜内容摘要本课题研究了紫外光吸收剂UV531，UV326对紫外光的屏蔽作用；黄颜料对蓝紫光的过滤效果。利用电子万能试验机，WGTS透光率/雾度测定仪，紫外可见分光光度计等仪器对样品的力学性能、光学性能等进行了测试与表征。结果表明在EVA中加入紫外光吸收剂，UV326屏蔽紫外光的效果比UV531好。蓝光的透过率随着黄颜料量的增加而降低，黄颜料用量为0010份（以100份EVA计时，蓝光透过率可降低到72，同时可见光的透过率达8631，紫外光的透过率只有147。关键词太阳光谱选择性透过EVA透明薄膜ABSTRACTTHISSUBJECTSTUDIEDTHEEFFECTOFDIFFERENTUVABSORBERSUV531,UV326TOABSORBULTRAVIOLETLIGHT,THEEFFECTOFYELLOWPIGMENTTOFILTERBLUELIGHTINTHISSTUDY,ELECTRONICUNIVERSALTESTINGMACHINE,WGTSTRANSMITTANCE/HAZEMETER,UVVISIBLESPECTROPHOTOMETERANDOTHEREQUIPMENTWEREUSEDTOTESTANDCHARACTERIZEMECHANICALPROPERTIESANDOPTICALPROPERTIESTHERESULTSSHOWEDTHATADDINGUVABSORBERSINEVA,UV326ULTRAVIOLETSHIELDINGBETTERTHANUV531TRANSMITTANCEOFBLUEWITHINCREASINGAMOUNTSOFTHEYELLOWPIGMENTISREDUCED,THEYELLOWPIGMENTINANAMOUNTOF0010PARTSEVABASEDON100PARTSTOTAL,THEBLUELIGHTTRANSMISSIONCANBEREDUCEDTO72,WHILETHERATEOF8631OFVISIBLELIGHT,UVTRANSMITTANCEOFONLY147KEYWORDSSOLARSPECTRALSELECTIVITYTHROUGHEVATRANSPARENTFILM一、绪论太阳辐射光产生于太阳表面大气层的最外层，太阳辐射出来的光线是从波长07NM10000NM的连续光谱，它在到达地面的过程中，受到大气中水和二氧化碳的吸收而被削弱。因此，到达地表只有波长在290NM3000NM的光波。到达地球的太阳电磁辐射中999的能量集中在紫外区、可见光区和红外区。紫外光区约占太阳能量的78，适量的紫外线可以起到杀菌、促进维生素D合成并有助于钙的吸收的作用，但过量的紫外线照射会对人体的皮肤、眼睛等造成伤害，以及破坏塑料产品的结构等。人类可见的波长是在400NM800NM之间的可见光，约占太阳能量的4650。可见光中的蓝光也存在于日常照明和电子设备光源中，对人的眼睛造成了不可小觑的伤害。为此，近年来市场上出现了许多具有太阳光谱选择性透过的功能塑料薄膜。本课题研究了具有屏蔽紫外光、过滤部分蓝光的透明EVA薄膜，并对其光学及力学性能进行了测试与分析。二、理论部分21功能性透明EVA薄膜211EVA简介乙烯乙酸乙烯酯共聚物EVA是一种热塑性树脂，其性能与醋酸乙烯VA的含量有关，VA含量越低，结晶度越高，它是继聚氯乙烯PVC和聚乙烯PE之后又一种新型的透明覆盖材料。PE和PVC这两类膜的最大缺点是抗老化性能较差，使用期限一般仅有12年，而EVA不仅抗老化性能好，耐候性优越，而且具有透光率高，保温性能好，耐用，防尘等优点1。212紫外光吸收剂紫外光吸收剂是利用自身分子结构，将光能转化为热能，避免塑料材料发生光氧化反应而起到光稳定剂作用的添加剂2。紫外光吸收剂主要以分子内氢键耗能、分子间氢键耗能两种模式来耗散照射到材料中的能量。常见的紫外光吸收剂包括邻羟基二苯甲酮类、邻羟基苯并三唑类、邻羟基水杨酸苯酯类，以及邻羟基三嗪类。其中UV531、UV326、UV9、UV327等是常用的光稳定剂产品。本课题将采用UV531、UV326作为EVA的光屏蔽剂。213着色剂改变物体的可见色或使无色的物体着色的物质称为着色剂。着色剂可分为染料和颜料。染料来源于有机或有机金属分子，它们具有中等程度的光稳定性。颜料可以是有机的也可以是无机的，大概有30多种颜料可用于透明或半透明着色，颜料通过直接吸收和散射来减弱光线。根据补色原理3，为了阻隔可见光中波长较短的蓝光，我们可以采用黄颜料进行塑料着色。22紫外光对生产生活的影响221紫外光对高分子材料的影响太阳光谱是一种连续光谱，当通过大气层被部分吸收后到达地球表面的紫外光谱的波长在290400NM范围内，这部分紫外辐射虽只占到达地面太阳总辐射的7左右。根据爱因斯坦提出的光量子理论4ENHVNHC/68395103/式中N阿佛加德罗常数，60241023H普朗克常数，66241027尔格秒V光波的频率，秒1C光速，29981010厘米秒1波长，纳米从上式可以看出，波长越短，其光子能量越大。紫外光的波长最短，所以它的能量越高，对高分子聚合物破坏性也越大。虽然波长在290400NM范围的紫外光所占比例不大，但其能量却是足以对高分子老化产生显著的影响，因为这个范围内的紫外光能量一般高于引起高分子链中化学键断裂所需要的能量，见表22。表22太阳紫外线能量与键强度5波长NM辐射能KJ/MOL键型键强KJ/MOL200600CF449290418CH355418300397NH314335340352CO314335350340CCL293360400297CN250272222紫外光对人体的伤害在光谱中，100380NM之间的电磁波被称作紫外光，根据不同的生物效应，紫外线又可以分为A、B、C三个不同的区段如表24所示，紫外线对人体的伤害主要是眼睛和皮肤，对眼睛的伤害主要是角膜和晶状体。因为角膜上皮吸收紫外线的峰值波长为265NM，晶状体吸收紫外线的峰值波长为295NM，所以对眼睛而言，UVC主要伤害的是角膜，UVB主要伤害的是晶状体6。表24紫外线分区及作用分段波长NM地面上自然比率性质UVA黑光区32038097作用较UVB，UVC弱，一般可引起晒伤和晒斑UVB红斑区28032029过度照射则伤害皮肤，会引起晶状体浑浊，老年黄斑变性，日光性白内障UVC杀菌区10028001对皮肤作用强，角膜炎的诱因223蓝光危害蓝光是波长在450NM480NM之间的高能量可见光，生活中我们也不可避免的接触到蓝光。蓝光可穿透晶状体直达视网膜，损伤视网膜感光细胞，加速黄斑区细胞的氧化，被称为危险的可见光7。三、实验部分31实验原料乙烯醋酸乙烯酯EVA，183，北京有机化工厂。UV326、UV531瑞士汽巴CIBA精细化工有限公司。永固黄南京化工原料公司。32试验仪器与设备双轴向炼塑机SK160B，上海橡胶机械厂。平板硫化机XLBD3503502，上海第一橡胶机械厂。电子天平BS6102，浙江永康市正恒电子有限公司。微机控制电子万能试验机CMT5254，深圳市三思计量技术有限公司。WGTS透过率/雾度测定仪YSO51048，上海仪电物理光学仪器有限公司。紫外可见分光光度计UV3200，科研生产部。隔温装置，自制。33实验配方本实验以EVA质量份为基材，加入紫外光吸收剂、黄颜料等，制备出一种具有可见光透过率高、尽可能屏蔽紫外线、过滤蓝光性能的EVA透明薄膜。以下是实验配方。表31实验配方表样品EVAUV531UV326黄颜料CONTROL100UV53110005UV32610005CONTROL/YP1000002UV531/YP100050002UV326/YP100050002UV326/0004YP100050004UV326/0006YP100050006UV326/0008YP100050008UV326/0010YP100050010YPYELLOWPIGMENT34样品制备本实验以EVA为基材，分别将原料EVA、UV531、UV326和黄颜料按比例准确称量，将粒料和粉料在85OC下于双辊炼塑机进行混炼，以三角包法薄通3次后出片裁剪待用。将以上薄片使用1MM、03MM模具，在平板硫化机上于120OC下压制薄膜。并以1MPA5MIN，5MPA5MIN，10MPA5MIN逐级保压增压后，快速移至另外一台冷压机上冷压至室温脱模，得到1MM、03MM的薄膜。将厚度为1MM薄膜冲成用哑铃型样条、直角撕裂型样条各三个分别用于拉伸、撕裂试验。将厚度为03MM的薄膜剪成合适的大小放入2片光滑的1MM厚载玻片中，使用2MM厚的橡胶作为缓冲器一并放入4MM厚的模具中，这样能在平板硫化机上制备表面光滑且厚薄均匀的薄膜。温度120OC，压力051MPA，时间3MIN。然后将载玻片取出，迅速使用冰水降温冷却，揭开载玻片得到表面光滑的样品，厚度约为03MM，并冲制成直径约23MM的圆片试样，用于光学性能测试。35性能测试本实验通过透光率/雾度测试、紫外可见分光光度计测试、力学性能测试、热力学性能测试及拍摄数码照片等来研究样品的各种性能。351透光率/雾度测试按照ASTMD1003标准，将厚度为03MM，直径为23MM的圆片贴于积分球的入口处进行测试。352紫外可见分光光度计测试用紫外可见分光光度计表征03MM厚的改性EVA透明薄膜在紫外波段、可见光波段的透过率。通过积分的方法计算平均透过率，如公式所示2121TD式中为平均透过率，T指波长为时的透过率，1与2是波T长NM取值上下限。在此，紫外光部分波长范围取200400NM；蓝光部分波长范围取450480NM；可见光波长取400800NM。353力学性能测试按照GB/T130221991进行拉伸测试，得到材料的拉伸强度、断裂伸长率、100定伸应力及永久变形。按照GB/T52991进行直角撕裂强度测试。354热力学性能测试在太阳光的照射下，利用温度测量装置测量固定点的EVA透明薄膜温度变化，且在前十分钟每2MIN测各装置的内部温度，后五十分钟每5MIN读取一次温度，同时表面温度10MIN测一次。测量工作选择在天气晴朗的条件下进行，以保证在测定的短时间内太阳直射辐射强度是一定值。选一固定点，晴天，气温2736，10301130，测改性EVA薄膜的温度变化。355数码照片将直径为23MM的圆片放于南京工业大学校徽上，在户外阳光下拍摄数码照片。这样能直观的看到材料实际的透明度。四、结果与讨论41透光率/雾度测试分析表41表明紫外光吸收剂UV531、UV326和黄颜料的加入对EVA薄膜的透过率和雾度影响不大，薄膜的透过率均保持在90左右，雾度保持在8以下。在含有紫外光吸收剂UV326和UV531的EVA薄膜中入黄颜料后，EVA薄膜的透过率均在明显地降低，雾度在显著地升高。在含有UV326基础上，当加入0002份以EVA计黄颜料，EVA薄膜的透过率由原来的9340下降到了9217，雾度也由627升高到了647。并随着黄颜料的量以0002份以EVA计增加时，透光率有明显的下降，EVA薄膜的透过率由原来的9340下降到了8980。表41各功能助剂对EVA薄膜透光率和雾度的影响样品透光率雾度CONTROL9320008667012UV5319330016353021UV3269340014627024CONTROL/YP9257031770028UV531/YP9283005610057UV326/YP9217009647034UV3269340014627024UV326/0002YP9217009647034UV326/0004YP9180014627029UV326/0006YP9073021437024UV326/0008YP9053012400033UV326/0010YP8980008517025YPYELLOWPIGMENT42紫外可见分光光度计测试分析图41为含不同紫外光吸收剂的EVA薄膜的紫外光可见光透过率，把只含有EVA基体材料的CONTROL样与分别加入05份二苯甲酮类UV531、苯并三唑类UV326紫外光吸收剂后的EVA薄膜在紫外光可见光波段的透过率曲线作对比，加入紫外光吸收剂的薄膜可以显著地降低200400NM紫外光透过率。其中二苯甲酮类紫外光吸收剂能强烈吸收200350NM的紫外光；苯并三唑类紫外光吸收剂吸收更宽的200380NM波段范围的紫外光。从表42来看，这两种紫外光吸收剂的屏蔽效果为UV326UV531。紫外光吸收剂对大部分可见光没有吸收作用，可见光的透过率均保持在90左右。图41含不同紫外光吸收剂的EVA薄膜的紫外光可见光透过率曲线表42不同紫外光吸收剂对EVA薄膜紫外光可见光透过率的影响样品紫外光T200400NM蓝光T450480NM可见光T400800NMCONTROL627588729048UV531145790829198UV32631388178948YPYELLOWPIGMENT图42为在含有不同紫外光吸收剂的EVA薄膜中加入0002份（以EVA计）黄颜料的紫外光可见光透过率曲线。由图可知，UV536吸收紫外光的范围仍保持在200350NM左右，UV326吸收紫外光的范围也仍保持在200380NM左右。与未加入黄颜料的图41相比，加入黄颜料后，在蓝光的波长区450480NM光线的透过率有了一个明显的下降趋势。表42与表43对比表明，与未加入黄颜料而只含有不同紫外光吸收剂的EVA薄膜相比，加入等量黄颜料后，对各个样品的紫外光透过率无较大影响，但对蓝光的透过率影响较大，就CONTROL样而言，蓝光的透过率由原来的8872下降到了8273；UV531的蓝光透过率由原来的9082下降到8485；UV326的蓝光透过率也由原来的8817下降到了8472。同样地，加入等量黄颜料后，仍对大部分可见光没有吸收作用，可见光的透过率均保持在89左右。图42含等量黄颜料的EVA薄膜的紫外光可见光透过率曲线表43不同紫外光吸收剂加等量黄颜料对EVA薄膜紫外光可见光透过率的影响样品紫外光T200400NM蓝光T（450480NM）可见光T400800NMCONTROL627588729048CONTROL/YP578182738859UV531/YP139184858932UV326/YP19884728913YPYELLOWPIGMENT图43为以UV326作为紫外光吸收剂，研究加入0002份、0004份、0006份、0008份和0010份以100份EVA计黄颜料后，蓝光透过率的变化。结果表明，随着黄颜料含量的增加，蓝光的透过率在逐渐降低。由表44得，当加入0010份以100份EVA计的黄颜料后，蓝光的平均透过率由原来的8817下降到了7270，屏蔽蓝光的效果十分显著，但是此时可见光的透过率也稍微有些下降，保持在86左右。图43含UV326和不等量黄颜料的EVA薄膜的紫外光可见光透过率曲线表44黄颜料变量对EVA薄膜的紫外光可见光透过率的影响样品紫外光T200400NM蓝光T450480NM可见光T400800NMCONTROL627588729048UV32631388178948UV326/0002YP19884728913UV326/0004YP28282938853UV326/0006YV326/0008YP25079468862UV326/0010YPYELLOWPIGMENT43力学性能分析431拉伸试验表45为加入功能助剂后得到EVA薄膜的拉伸实验数据，由数据可知1、紫外光吸收剂、黄颜料的加入对EVA薄膜100定伸应力无太大影响，基本保持在38MPA左右。当在含有05份以EVA计UV326的EVA薄膜中以0002份的增量加入黄颜料时，EVA薄膜的100定伸应力由408降低到37MPA左右。2、紫外光吸收剂对EVA薄膜的拉伸强度无明显影响。与没加入黄颜料相比，加入黄颜料后拉伸强度反而有些增加。随着黄颜料用量的增加，含UV326的EVA薄膜的拉伸强度并无明显规律。与没加入黄颜料相比，加黄颜料后，对EVA薄膜拉伸强度和断裂伸长率有提高的效果。然而当研究UV326作为紫外光吸收剂，随黄颜料用量增加对EVA薄膜的断裂伸长率和永久变形率无明显影响。表45各功能助剂对EVA薄膜拉伸性能的影响YPYELLOWPIGMENT432撕裂试验表46为加入功能助剂后EVA薄膜的撕裂实验数据。从表46数据中可知各种功能助剂紫外光吸收剂、黄颜料的加入对EVA薄膜的撕裂性能无太大影响。EVA薄膜的撕裂性能保持在60KN/M上下浮动，并无明显规律。表46各功能助剂对PVC薄膜撕裂性能的影响样品撕裂强度KN/MCONTROL6268092UV5316001175UV3266289109CONTROL/YP6167057样品100定伸应力MPA拉伸强度MPA断裂伸长率永久变形CONTROL3950141440038692344899UV531389025130606179814546821UV32640800714490037982053710CONTROL/YP38601515290558991265485UV531/YP3790051444088752445079UV326/YP3970051551060790195418UV32640800714490037982053710UV326/0002YP3970051551060790195488UV326/0004YP3840071440021774651911UV326/0006YP37700114570638031453712UV326/0008YP37001414810547675851543UV326/0010YP37701114550618232552833UV531/YP6184147UV326/YP6267064UV3266289109UV326/0002YP6267064UV326/0004YP5969058UV326/0006YP6155309UV326/0008YP6076097UV326/0010YP5999131YPYELLOWPIGMENT44热力学性能测试图44至46为测试包括空白样及十个EVA薄膜样品在内的阳光下曝晒的温度变化曲线，实验同时测量了温度测量装置的内部和表面温度。测装置的内部温度有助于得出各个助剂对太阳光透过EVA薄膜多少的影响，即阻隔太阳光能力的大小，从而可以判断紫外光吸收剂的使用效果，而表面温度则可用来具体说明各功能助剂吸收太阳光能力的强弱。图34为含不同紫外光吸收剂的EVA薄膜的温度变化曲线，由内部温度图可以看出GLASS空白样的温度最高，可见此样对太阳光的阻隔最差，透过最多；相比之下，CONTROL样的温度较低，而含UV531、UV326的样品温度介于两者之间，但是含UV531的样品温度却和GLASS空白样的温度很接近，且由紫外可见分光光度计测试知UV531、UV326确实有屏蔽紫外线的功能，即太阳光的透过应该较少，温度较低，但两者温度都比CONTROL样的温度高，这是因为同样都是紫外光吸收剂，两者吸收紫外线而释放热量，故温度有所升高。由表面温度图可以看出GLASS空白样的温度最低，CONTROL样温度次之，反而UV531、UV326的样品温度较高。很明显地，UV326比UV531样品温度高，这是由于吸收紫外线能力不同故释放出的热量也不一样。因此得出UV326吸收紫外线效果比UV326好，这与之前得出的结论一致。图45为等量黄颜料的EVA薄膜的温度变化曲线，与图44相比，样品中加入了等量的黄颜料，结果表明表面温度无太大变化，就内部温度而言，由于黄颜料吸收部分蓝光且与紫外光吸收剂共同作用，太阳光的透过应该减少，故两者的协同作用而使内部温度稍微下降。图46为黄颜料变量的EVA薄膜的温度变化曲线，与图44和图45相比，随着黄颜料的量以0002份以EVA计增加时，装置的内部与表面温度并没有太大的变化，也就是12的变化。INNERTEMPERATURESURFACETEMPERATURE图44含不同紫外光吸收剂的EVA薄膜的温度变化曲线INNERTEMPERATURESURFACETEMPERATURE图45等量黄颜料的EVA薄膜的温度变化曲线INNERTEMPERATURESURFACETEMPERATURE图46黄颜料变量的EVA薄膜的温度变化曲线通过EVA薄膜的热力学性能测试，可以得到紫外光吸收剂虽可以吸收紫外线，黄颜料可以过滤蓝光，但是其能量转换后释放的能量并没有使EVA薄膜在阳光的照射下表面温度有太大的变化，即外部升温效果不明显，仅有12的变化。其次，虽然紫外光能量高，但也只占太阳能量的7左右，故内部降温效果也不明显。45数码照片图47至图49为不同样品薄膜的数码照片。数码照片可以直观清晰地反映样品薄膜的透明性。图47不同紫外光吸收剂和等量黄颜料的EVA薄膜的数码照片图48等量黄颜料的EVA薄膜数码照片A空白样BCONTROLCCONTROL/YPDUV531/YPEUV326/YPA空白样BCONTROLCUV531DUV326图49含UV326和黄颜料变量的EVA薄膜数码照片A空白样BCONTROLCUV326DUV326/0002YPEUV326/0004YPFUV326