PVC의 광 안정성에 영향을 미치는 요인과 해결책

May 6, 2022

TDD-글로벌

15649

가이드

주요 특징 요약

폴리염화비닐(PVC)은 널리 사용되지만 환경 요인에 노출될 때 열화되는 문제가 있습니다. 이 글에서는 PVC의 낮은 광 안정성의 원인으로 구조적 변화, 첨가제의 영향, 자외선(UV) 방사의 역할 등을 다룹니다. 또한 변색과 열화를 완화하기 위한 생산 공식 최적화, 안정제 사용, 재료 특성 강화와 같은 효과적인 해결책도 제시합니다.

폴리염화비닐은 독특한 특성, 낮은 밀도, 쉬운 수정 및 우수한 가공 성능으로 인해 산업 및 생활에서 널리 사용됩니다. 대부분은 창틀, 문틀, 셔터, 벽 패널, 파이프 등과 같은 야외에서 사용됩니다. 태양광, 열, 산소, 오존, 물 등 다양한 환경 요인의 영향을 받아 PVC 제품은 심각한 열화, 황변, 경화 및 취성을 겪으며 기계적 특성이 점차 저하되고 결국 사용 가치를 잃게 됩니다. 따라서 우리는 PVC의 열화에 영향을 미치는 요인을 연구하여 PVC의 낮은 광 안정성 문제를 해결하는 방안을 제안할 수 있습니다.

PVC의 광열화에 영향을 미치는 요인

첫째, PVC 구조의 규칙성

PVC 수지가 자외선에 의해 조사된 후 색상이 변한 것은 고분자 주사슬에서 일부 분자가 탈염화수소 반응을 일으켰으며, 고분자 주사슬에 소량의 공액 이중 결합이 형성되어 수지의 색상이 변한 것을 나타냅니다.

첨가제의 영향

가공 중 열 안정제, 산화 방지제, 가소제 및 윤활제와 같은 일련의 첨가제를 추가하여 재료의 안정성을 향상시킵니다. 그러나 재료와의 호환성이 좋지 않거나, 분해 온도가 재료 가공 온도보다 낮거나, 분자량이 낮은 등의 문제가 있어 제품의 기계적 특성이 저하되고, 사용 중 첨가제가 누출되거나 추출되어 변색을 유발합니다.

1. 가소제

가소제가 290nm 이상의 파장을 가진 자외선을 흡수한 후, 자유 라디칼을 생성하여 PVC 사슬에 작용하여 HCl 추출 속도를 증가시키고, PVC의 광열화 과정을 가속화하여 재료를 변색시킵니다. 변색이 발생합니다.

2. 용매

사이클로헥산온과 테트라하이드로푸란(THF)은 PVC에 일반적으로 사용되는 용매이며, THF는 O2와 반응하여 복합체를 쉽게 형성하며, 자외선 하에서 자유 라디칼을 생성하여 PVC의 광열화를 유발합니다. THF는 PVC 필름 제조에 일반적으로 사용되므로 PVC 필름의 광열화를 가속화합니다.

3. 열 안정제

PVC의 열 안정성이 낮기 때문에, 열 안정성을 강화하기 위해 후처리된 PVC 제품에 열 안정제를 추가해야 합니다. 질량 분석, 적외선 분광법 및 UV-Vis 분광광도계(파장 300nm 이상, 온도 40°C, 55°C, 70°C)를 사용하여 칼슘 스테아레이트, 아연 스테아레이트 열 안정제를 포함한 두께 80μm의 PVC 필름의 광산화 거동을 연구한 결과, 초기 열 안정제가 HCl이 열 안정제와 반응했기 때문에 점차 사라졌습니다. 열 안정제가 완전히 사라졌을 때, 동시에 중량 손실이 발생했으며, 이는 HCl 제거 강도가 산화보다 크다는 것을 나타냅니다. UV 조사에 의해 유기 주석의 열 안정성이 더 우수하다는 것이 밝혀졌으며, 이는 유기 주석 염화물이 추가 열화를 유발하지 않는 이유입니다.

고분자 수정의 효과

PVC를 다른 고분자와 혼합하면 일부 우수한 특성을 얻을 수 있지만, 혼합은 PVC의 자외선 열화 거동에 영향을 미칩니다. 메틸 메타크릴레이트-부타디엔-스티렌 공중합체(MBS), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 및 목재 칩은 PVC의 광열화를 촉진하는 반면, 폴리비닐 아세테이트(PVAC)와 폴리비닐 알코올(PVA)은 PVC의 광열화를 지연시킵니다. PVC에 MBS를 추가하면 PVC의 충격 저항성을 크게 향상시킬 수 있지만, MBS를 추가하면 PVC의 광열화를 가속화합니다.

넷째, 탄산칼슘 첨가의 효과

PVC 제품의 조성에 CaCO3를 첨가하는 주요 목적은 증량, 비용 절감, 제품의 경도 및 열 변형 온도를 개선하고, 제품의 성형 수축률을 줄이는 것입니다. 그러나 CaCO3의 입자 크기와 입자 크기 분포 및 매트릭스와의 호환성은 제한적이며, 많은 양이 사용될 경우 매트릭스에서 응집이 발생하여 재료의 강성이 감소하고 제품의 광택과 색상에 영향을 미칩니다. 일부 데이터에 따르면 CaCO3의 유기 표면 처리를 통해 흡습 능력이 현저히 감소하지만, PVC가 열화되고 HCl이 제거되면 CaCO3가 PVC의 광산화 열화 생성물 층에 분산되어 잠재적인 흡습 부위를 형성하여 제품이 변색되기 쉽습니다. 또한 CaCO3와 PVC 제품의 노화 과정에서 분말화 현상이 밀접하게 관련되어 있습니다. CaCO3 충진 함량이 높은 제품은 분말화 현상이 발생하기 쉽습니다. 분말화 현상은 PVC의 노화 및 열화 과정에서 사슬 절단 또는 가교로 인해 표면 형태가 변화한 결과입니다.

PVC의 낮은 광 안정성을 해결하기 위한 일반적인 방법

1. PVC 수지의 중합 과정에서 PVC 수지의 열화와 폴리엔 구조 형성을 최소화합니다.

1. 중합 시스템과 탈이온수에서 산소를 제거합니다.

2. 중합 온도가 너무 높지 않도록 합니다.

3. 적절한 국소 및 전환율을 제어하고 중합의 감압 기간을 단축합니다.

4. 물 속의 염화물 함량을 엄격히 제어합니다.

5. 원료의 순도와 분산제 및 개시제 시스템의 선택

2. PVC 제품의 생산 조성 설계를 최적화합니다.

1. 열 안정제

히드로아민 광 안정제(HALS)는 자외선을 흡수하지 않거나 거의 흡수하지 않으며 일정한 입체 장애 효과를 가진 피페리딘 유도체의 한 종류입니다. 그러나 히드로아민 광 안정제가 알칼리성이기 때문에 산성 물질에 더 민감합니다 [5]. PVC의 광열화 및 열열화 과정에서 HCl이 형성됩니다. HCl은 HALS와 반응하여 니트록사이드 라디칼의 형성을 방해할 수 있습니다. HALS를 "중독"시킵니다. 약한 알칼리성 히드로아민 광 안정제를 선택할 수 있으며, 피페리딘 유도체 또는 안트라퀴논 유도체와 같은 다양한 기능 그룹을 가지고 있어 자유 라디칼 포획제로 사용할 수 있으며, 이러한 유도체는 준비가 용이하고 거의 독성이 없습니다.

2. 산화 방지제

PVC 제품의 가공 및 사용 중 열과 자외선에 의해 산화되며, 산화 열화는 자유 라디칼의 생성과 관련이 있습니다. 산화 방지제의 주요 역할은 사슬 절단 종결제 또는 자유 라디칼 포획제입니다. 주요 기능은 자유 라디칼과 결합하여 안정한 화합물을 형성하여 사슬 반응을 중단시키는 것입니다. 산화 방지제는 일반적으로 자외선 열화에 대한 보호를 제공하기 위해 다성분 조성으로 권장됩니다. PVC의 주요 산화 방지제는 일반적으로 비스페놀 A와 보조 산화 방지제 또는 과산화물 분해제입니다. PVC의 보조 산화 방지제는 트리페닐 포스파이트와 디페닐 이소옥틸 에스터이며, 주요 산화 방지제와 보조 산화 방지제의 조합은 시너지 효과를 발휘할 수 있습니다.

3. 자외선 흡수제

자외선 흡수제의 역할은 햇빛 및 다양한 인공 광원에서 자외선에 의해 유발되는 고분자의 열화 및 가교화를 방지하는 것입니다. 자외선 흡수제는 240-340nm의 파장을 가진 자외선을 흡수할 수 있으며, 밝은 색상, 무독성, 우수한 호환성, 낮은 이동성, 쉬운 가공 등의 특성을 가지고 있으며, PVC 수지에 대해 우수한 보호 효과를 제공합니다.

화학 구조에 따라 자외선 흡수제는 o-하이드록시벤조페논, o-하이드록시벤조트리아졸, 하이드록시벤조트리아진, 페닐 살리실레이트 등으로 나눌 수 있습니다. 페닐 살리실레이트는 가장 초기의 자외선 안정제로, 저렴한 가격 때문에 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 대부분 자외선 조사 하에서 황변되며, 이는 무색 또는 투명 제품에서의 사용을 제한합니다. o-하이드록시벤조페논과 o-하이드록시벤조트리아졸 화합물은 전형적인 자외선 흡수제로, PVC 제품에 첨가되어 제품이 햇빛 아래에서 오랫동안 사용될 수 있도록 합니다. 이들의 주요 기능은 PVC 제품의 변색을 방지하고, 제품이 취약해지거나 표면 균열이 발생하는 것을 방지하는 것입니다.

4. 킬레이트제

킬레이트제는 PVC 중합 시스템 또는 조성 시스템에 자주 첨가되어 수지의 열 안정성을 향상시킵니다. 원리는 킬레이트 시스템이 PVC 분자 사슬에서 HCl 방출을 쉽게 유발하는 유해 금속 이온과 안정한 금속 복합체를 형성할 수 있다는 것입니다.

5. 자외선 차단제

광 차단제는 자외선을 흡수하거나 반사할 수 있는 물질의 한 종류로, 주요 기능은 물리적 장벽에 반영됩니다. 이는 광원과 고분자 사이에 장벽을 형성하여 자외선이 고분자 내부로 들어가는 것을 방지합니다. 이러한 제품은 저렴하고 다양한 종류가 있으며, 이산화티타늄과 카본 블랙이 그 예입니다.

카본 블랙은 가장 효과적인 광 차단제로, 전체 자외선 및 가시광선을 흡수하고, 빛 에너지를 덜 파괴적인 열 에너지로 변환할 수 있으며, 내부 필터, 자유 라디칼 포획제, 고분자 단일 상태 및 삼중 분열제 역할을 합니다. 이는 다핵 방향족 구조에서 에너지의 수평 전이를 통해 자외선을 흡수하는 기능을 합니다. 제조 공정에 따라 카본 블랙은 채널 카본 블랙, 퍼니스 카본 블랙 및 열 카본 블랙의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 카본 블랙의 광 안정화 효율은 그 유형, 입자 크기 및 고분자 내 분산에 따라 달라집니다.

이산화티타늄은 주로 아나타제형과 루틸형 두 가지 다른 결정 형태를 가지며, 고분자에 혼합되었을 때 현저히 다른 광활성을 나타냅니다. 아나타제 이산화티타늄은 광활성이 있으며 고분자의 광열화를 촉진할 수 있습니다. 빛과 오존의 작용 하에서 점차 티타닉산을 형성하여 제품 표면이 황변되고 분말화됩니다. 루틸형 이산화티타늄은 PVC에 일반적으로 사용되는 자외선 차단제로, 광활성이 없지만 자외선을 차단하고 적외선을 반사할 수 있으며, 황변되기 쉽지 않습니다. 이산화티타늄의 평균 사용량은 일반적으로 3%~5%입니다.

광 차단제의 가장 큰 단점은 제품에 색을 입히는 것으로, 이는 투명 제품에서의 적용을 직접적으로 제한하며, 품종 개발에 있어 전반적인 진전이 거의 없습니다. 새로운 품종은 주로 초미세 입자 크기와 표면 처리된 쉽게 분산 가능한 무기 물질로, 초미세 이산화티타늄 및 미세화된 산화아연과 같은 것이 있습니다. 전자는 비활성, 비이동성, 낮은 가시광선 산란 및 높은 자외선 산란을 가지며, 플라스틱의 투명성을 유지하면서 자외선 흡수를 가능하게 합니다. 후자는 투명성과 자외선 흡수 효율 면에서 초미세 이산화티타늄보다 우수합니다.

결론:

(1) PVC 제품의 변색은 외부 환경과 PVC 자체 요인의 결합 작용에 의해 발생합니다. 즉, 외부 자외선 조사, 주변 온도, 습도, 산소 함유 조건 및 환경 오염 등이 있으며, PVC 자체 요인은 열화 과정에서 HCl의 방출입니다.

(2) PVC 제품의 변색의 주요 원인은 분자 사슬 내 폴리엔 구조의 존재와 열화 과정에서 HCl의 방출입니다. 따라서 PVC 수지의 낮은 광 안정성 문제를 해결하는 가장 근본적인 방법은 품질을 제어하고 HCl 및 폴리엔 구조의 생성을 줄이는 것입니다.

(3) PVC 제품의 생산 조성에서 다양한 첨가제의 품질도 PVC 제품 변색에 영향을 미치는 요인입니다. 조성을 최적화하여 수지 및 다양한 첨가제의 품질을 보장하고 제품의 변색 발생을 줄일 수 있습니다.

이산화티타늄 유형이 ABS 수지의 특성에 미치는 영향

빌리언스켐의 새로운 정책을 기다리며, 이산화티타늄의 가격은 교차점에 도달할 것입니다.