HDPE双壁波纹管耐老化性能的紫外加速试验对比

摘要：本研究采用紫外加速老化试验方法，系统对比分析不同抗老化助剂配方管材在模拟户外环境条件下的性能演变规律。研究发现，紫外辐照强度是主导老化进程的关键因素，而复合添加紫外线吸收剂与受阻胺光稳定剂可显著延缓分子链氧化断裂，为工程选材及配方优化提供了量化参考依据。

关键词：HDPE双壁波纹管；耐老化性能；紫外加速试验；对比

引言

随着城镇化进程的加速，HDPE双壁波纹管在雨污水排放、地下通信管线保护等领域的应用量逐年攀升。但作为高分子聚合物制品，其长期暴露于户外环境时，太阳光中的紫外辐射会引发高分子链的光氧化反应，导致材料出现拉伸强度下降、表面龟裂等老化现象，未添加抗老化体系的HDPE管材在户外服役5-8年后，其力学性能保留率通常低于60%，严重影响工程结构的长期安全性[1]。因此，开展HDPE双壁波纹管耐老化性能的对比研究，对提升市政工程管材的使用寿命具有重要的工程价值与学术意义。

1. 实验材料与方法

1.1 实验材料

本研究选用三种不同配方的HDPE试验管材：A为未添加抗老化助剂的HDPE 双壁波纹管；B为在基础树脂中添加了0.5%二苯甲酮类紫外线吸收剂的HDPE 双壁波纹管；C为使用了0.3%紫外线吸收剂与0.2%受阻胺光稳定剂（HALS）复合体系的HDPE 双壁波纹管。

1.2 实验方法

老化试验在可程序控制的紫外加速老化箱中进行，该设备能够精准调控紫外辐照强度、环境温度及相对湿度。为模拟不同气候区的户外环境，设计三组变量试验：第一组设置50W/m2、100W/m2和150W/m2三档辐照强度，温度恒定为60℃，湿度50%RH；第二组固定辐照强度100W/m2，温度分别为40℃、60℃和80℃，湿度维持50%RH；第三组控制辐照强度100W/m2、温度60℃，湿度梯度为30%RH、50%RH和70%RH，每组试验总时长设定为1000小时。

1.3 性能测试

性能测试采用周期性取样方式，每200小时截取管材试样进行力学性能检测。使用电子万能试验机测试拉伸强度与断裂伸长率，测试速度设定为50mm/min；利用傅里叶变换红外光谱仪分析老化前后材料化学结构变化，重点关注1710cm-1处羰基峰与3400cm-1处羟基峰的强度演变；通过扫描电子显微镜观察管材内外表面的微观形貌变化，揭示老化过程中材料表面的损伤机理。

2. 结果与讨论

2.1 紫外辐照强度的影响机制

本次试验数据表明，辐照强度对管材老化速率的影响呈现显著的正相关性。当老化时间达到1000小时时，基础配方A管材在50W/m2辐照条件下的拉伸强度保留率为65%，而在150W/m2强辐照下仅剩余32%，这是由于高能紫外光子直接引发HDPE分子链的C-C键断裂，生成自由基并诱发连锁氧化反应。对比不同配方管材的性能表现，添加复合助剂的C配方展现出优异的防护效果，在150W/m2条件下强度保留率仍达58%，较单一助剂的B配方提升约15%，这归因于紫外线吸收剂与HALS的协同作用——前者通过分子内转化将紫外光能转化为热能，后者则通过捕获氧化自由基阻断链式反应，两者形成互补的防护体系[2]。

从微观结构观察发现，未添加助剂的A管材在强辐照下表面出现深度达50μm的网状裂纹，裂纹沿分子链取向方向扩展，而C管材表面仅见浅表层的细微龟裂，这与力学性能测试结果形成良好对应。红外光谱分析进一步证实，A管材在老化1000小时后羰基指数从0.02升至0.18，而C管材的羰基指数仅增加至0.09，表明复合助剂体系能有效抑制氧化反应的进行。

2.2 环境温度的协同作用

温度作为加速老化的重要环境因子，对管材老化进程的影响呈现明显的热活化特征。在100W/m2辐照条件下，40℃环境中老化的A管材断裂伸长率保留率为72%，而在80℃高温下该值降至40%，这符合Arrhenius方程描述的温度对化学反应速率的影响规律。高温环境不仅加速了自由基的生成速率，还会降低高分子链的运动活化能，使氧化反应更易进行。

值得注意的是，C配方管材在80℃高温下仍保持65%的断裂伸长率保留率，显示出良好的热氧稳定性。这是因为HALS分子中的氮氧自由基在高温下仍能保持活性，持续捕获氧化过程中产生的过氧自由基，而单一紫外线吸收剂在高温下易发生分解失效[3]。扫描电镜观察发现，高温老化后的A管材内部出现大量微空洞，这是由于热氧老化导致的分子链交联与断裂并存的结果，而C管材的微观结构更为致密，仅在晶界处观察到少量缺陷。

2.3 湿度环境的影响特征

与辐照强度和温度相比，湿度对管材老化性能的影响相对较弱，在1000小时老化周期内，不同湿度条件下管材的质量变化率均小于1%，这与HDPE分子的非极性特性有关，水分子难以渗透进入高分子网络结构。但红外光谱分析显示，70%RH高湿度环境下管材的羟基峰强度略高于低湿度环境，表明水分可能通过溶胀作用促进了氧气的扩散，从而轻微加速表面氧化反应。

进一步观察管材截面形貌发现，高湿度老化后的A管材表面氧化层厚度约为20μm，较30%RH条件下增加约5μm，而C管材的氧化层厚度变化不明显，说明复合助剂体系在潮湿环境中仍能保持稳定的防护效果。这一发现对多雨地区的工程选材具有指导意义，即当环境湿度较高时，应优先选择含有HALS的复合助剂配方，以抵御湿热协同作用下的材料老化。

2.4 抗老化机制的微观解析

综合分析力学性能与微观表征结果，HDPE双壁波纹管的紫外老化过程可概括为：紫外辐射首先引发分子链断裂生成烷基自由基，在氧气存在下转化为过氧自由基，进而攻击相邻分子链形成羰基化合物，导致材料力学性能劣化。未添加助剂的A管材由于缺乏自由基捕获机制，氧化反应迅速蔓延，形成宏观可见的裂纹；而C配方中的紫外线吸收剂可有效屏蔽290-400nm的紫外光，这种循环再生机制使HALS在低添加量下即可发挥持续的抗老化作用，与紫外线吸收剂形成“屏蔽-捕获”的双重防护体系，从根本上延缓了HDPE的光氧化进程[4]。

3. 结论

本研究通过系统的紫外加速老化试验，明确了HDPE双壁波纹管耐老化性能的主要影响因素及作用规律：紫外辐照强度是驱动老化进程的核心因素，其影响程度远大于温度与湿度；添加0.3%紫外线吸收剂与0.2%HALS的复合配方可使管材在强辐照条件下的力学性能保留率提升约80%，显著延长服役寿命；微观层面，复合助剂通过抑制分子链氧化断裂和自由基链式反应，有效维持了材料微观结构的完整性。

结合研究结果，提出以下建议：在高紫外辐照地区（如高原、热带地区）应优先选用复合抗老化体系，助剂总添加量建议不低于0.5%；对于高温服役环境，需重点关注HALS的配伍性，确保在热氧条件下的稳定防护效果。

参考文献

[1] 李晋. 市政排水管管材的性能与应用——HDPE双壁波纹管与球墨铸铁排水管对比[J]. 城市建设理论研究（电子版）,2012(36).

[2] 康广朝,李君,张富强,等. LDPE和HDPE改性沥青老化流变性能研究[J]. 合成材料老化与应用,2024,53(3):50-54.

[3] 赖莉琼,杨阳. PP-HDPE复合暖通管材的制备及耐老化性能研究[J]. 塑料科技,2023,51(6):37-40.

[4] 蒋秀亭,杨旭东,胡吉永,等. 不同光源下HDPE土工膜的光氧老化性能[J]. 东华大学学报（自然科学版）,2016,42(6):809-815.