دانلود مقاله ترجمه شده نقش کربن سیاه در ثبات اشعه فرابنفش در حالت هوازدگی مصنوعی- مجله الزویر

فهرست مطالب:

چکیده
مقدمه ۱
آزمایش ۲
مواد و تولید فیبر ۲ ۱
۲ ۲هوازدگی مصنوعی
۲ ۲ ۱ منابع لوله فلورسنت UVA و UVB
۲ ۲ ۲ منبع اشعه زنون
۲ ۳ تعیین خصوصیات
۲ ۳ ۱خواص کششی
۲ ۳ ۲ مطالعات طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریر
۲ ۳ ۳مطالعات کالریمتری نگاره متمایز کننده
۳ نتایج و بحث
۳ ۱ خواص فیلم شاهد
۳ ۲ تاثیر کربن سیاه بر انشعاب در سطح شکست
۳ ۲ ۱ تابش UVB
۳ ۲ ۲ UVB با میعان، تابش اشعه UVB
۳ ۲ ۳ تابش اشعه UVA و زنون
۳ ۳ تاثیر کربن سیاه بر تشکیل گروه های عاملی
۳ ۳ ۱ اشعه UVB
۳ ۳ ۲ تابش اشعه
۳ ۳ ۳ تابش اشعه زنون
۳ ۴ تاثیر کربن سیاه بر تبلور
۳ ۵ مقایسه اثرات منابع مختلف اشعه فرابنفش
۳ ۶ اثرات احتمالی متغیرهای کربن سیاه روی مکانیسم های تثبیت نوری
۴ نتیجه گیری

بخشی از ترجمه:

کربن سیاه به دلیل قابلیت آن جهت پایدارسازی پلی الفین در برابر تجزیه توسط اشعه فرابنفش معروف است. فیلم های پلی اتیلنی خطی با چگالی کمLLDPE حاوی طیف وسیعی از کربن سیاه با اندازه ذرات، ساختار و غلظت های متفاوت در معرض ابزارهای هوازدگی مصنوعی تسریعی نظیر منبع آرک زنون Xenotest 150S و منابع لوله فلورسنت با لامپ های UVA و UVB تحت شرایط دمایی و رطوبتی کنترل شده قرار گرفتند. تغییر در خواص فیزیوشیمیایی طی هوازدگی با استفاده از تست کشش، طیف سنج مادون قرمز ترانسفورم فوریر و روش های کالریمتری مورد مطالعه قرار گرفت. وجود هر کربن سیاه حاکی از بهبود معنادار در تثبیت اشعه فرابنفش در مقایسه با فیلم های مشخص به خصوص با اندازه ذرات کوچک می باشد. هیچ گونه تاثیر ساختار کربن سیاه بر تثبیت اشعه فرابنفش برای کربن های سیاه با اندازه های مختلف وجود نداشت.افزایش در غلظت کربن سیاه از ۱.۵ تا ۳.۵ درصد نیز موجب بهبود تثبیت اشعه فرابنفش شد. برای منابع کربن UVA و UVB، وجود کربن سیاه اگرچه موجب افزایش تولید گروه کربونیل با توجه به کاهش خواص کششی با توجه به LLDPE می شود، موجب متوقف شدن برش نوع ۲ نوریش در مراکز کربونیل با تولید فتوشیمیایی در زنجیره های پلیمری می شود. این قضیه برای کوچک ترین اندازه ذرات صدق می کند. از این رو کارایی تثبیت نوری کربن سیاه بر اساس فعالیت شیمیایی و جذب اشعه فرابنفش وابسته به سطح فیزیکی است. تحت اشعه زنون، فعالیت فتوشیمیایی حداقل است.

۱ مقدمه

کربن سیاه یک ماده افزودنی تثبیت کننده نوری معروف در پلی الفینها( و پلیمرهای دیگر) به مدت سال ها مد نظر بوده است. گفته می شود که این ماده به عنوان یک فیلتر فیزیکی ساده، جاذب اشعه فرابنفش، به دام اندازنده رادیکال و تخریب کننده زنجیره رادیکال آزاد که از طریق آن واکنش های اکسیداسیون نوری منتشر می شوند عمل می کند. مقاومت به تجزیه و تخریب ناشی از اشعه فرابنفش معمولا مربوط به نوع و اندازه ذرات کربن سیاه مورد استفاده علاوه بر غلظت و انتشار کربن سیاه در ماتریکس می شود. ذرات کربن سیاه با اندازه کوچک دارای بیشترین کارایی تثبیت کنندگی اشعه فرابنفش می باشد با این حال گرایش به تبدیل خوشه هایی دارد که به آسانی قابل انتشار نمی باشند.
ترکیب پیچیده گروه های شیمیوزورب و اکسیژنه روی سطوح ذرات کربن سیاه عامل و توجیه کننده قابلیت حفاظتی آن ها در برابر اشعه فرابنفش می باشد و گروه های فنولیک و کوینونیک به عنوان آنتی اکسیدان عمل می کند.درک نقش کربن سیاه در اکسیداسیون را می توان ار حیث تاثیر انتی اکسیدان و از طریق تجزیه کاتالیزی پروکسیدها و تجزیه رادیکال های آزاد با کارایی بیشتر در درجه حرارت پایین و خواص انتی اکسیدای تحت برخی شرایط تشریح کرد.اثر مشاهده شده ترکیب پلی الفین-کربن سیاه ناشی از اثرات آنتی اکسیدانی و پرواکسیدان متاثر از خواص ذاتی کربن سیاه می باشد. اخیرا نتایج منتشر شده در خصوص رفتار نوارهای پلی پروپیلن پر شده با کربن سیاه نشان داده است که غلظت، قطر ذرات و ویژگی های ساختاری کربن سیاه، اثر معناداری بر خواص کششی و ریخت شناسی علاوه بر پایداری و مقاومت نوری/حرارتی دارد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract Carbon Black is recognised for its ability to stabilise polyolefins against UV degradation.Linear low density polyethylene (LLDPE) 75 mm extruded films containing a variety of carbon black with different particle size, structure and concentrations were exposed to two accelerated artificial weathering devices, a xenon arc source, e.g. Xenotest 150S, and fluorescent tube sources with UVA and UVB lamps, under controlled temperature and humidity.The changes in physicochemical properties during exposures were studied using tensile testing, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopic and differential scanning calorimetric (DSC) methods.Presence of each carbon black shows significant improvement in UV stabilisation compared to clear films, especially for those with small particle sizes as expected.There is no consistent effect of carbon black structure on UV stabilisation for various particle-sized carbon blacks. An increase in carbon black concentration from 1.5 to 3.5% w/w also improved UV stabilisation. For UVA and UVB sources, presence of carbon black, while increasing carbonyl group generation with respect to unit loss in tensile property with respect to unfilled LLDPE, also appears to suppress Norrish Type II scissions at photochemically generated carbonyl centers in polymer chains.This is especially the case for the smallest (20 nm) particle sizes.Thus the photostabilising efficiency of carbon black is based on both physical surface-area-dependent UV absorption and photochemical activity.Under xenon arc exposure, however, this latter is minimal. # 2002 Elsevier Science Ltd.All rights reserved. Keywords: Polyethylene; LLDPE; Carbon Black; UV; Carbonyl; Vinyl; Photodegradation 1. Introduction Carbon black has been an established light stabilising additive in polyolefins (and other polymers) for many years [1].It is believed to function as a simple physical screen, a UV absorber, a radical trap and a terminator of the free radical chains through which the photo-oxidative reactions are propagated [1,2].The resistance to UV degradation is usually related to the type and particle size of the carbon black used as well as to the concentration and dispersion of the carbon black in the matrix [3].Small particle sized-carbon blacks are known to have the greatest UV stabilising efficiency but tend to agglomerate into aggregates or clusters which are not easily dispersed [1,4]. The complex mixture of chemisorbed, oxygenated groups on carbon black particle surfaces may also account for their UV protective capacity [5], and the quinonic and phenolic groups present may especially function as antioxidants [6].The understanding of the role of carbon black towards oxidation may be summarised in terms of an antioxidant effect, probably via catalytic decomposition of peroxides and free radical scavenging with greater effectiveness at low temperature, balanced by a pro-oxidant property under some conditions [7].The observed effect of a given carbon black–polyolefin combination is the resultant of antiand pro-oxidant effects influenced by both content and inherent properties of carbon black [8].Recently published results [9,10] regarding the behaviour of carbon black-filled polypropylene tapes showed that the concentration, particle diameter and structural characteristics of carbon black have significant effects on the tensile and morphological properties as well as thermal and photo stabilities. This paper discusses the first part of an investigation of the effect of a series of carbon blacks having a range of particle properties on the UV stability of linear low density polyethylene (LLDPE) films (75 mm) in the absence and presence of hindered amine light stabilisers (HALS) under artificial weathering conditions.This first part investigates the effects that the particle variables of diameter, structure and volatile content have on the tensile and physicochemical structure of LLDPE films after UV exposure.Two accelerated artificial weathering devices, Xenotest 150S and Q-Panel QUV/se with UVA (315–۳۴۰ nm) and UVB (280–۳۱۵ nm) lamps, under controlled temperature and humidity were employed. 2. Experimental 2.1. Materials and filmproduction LLDPE powder used was supplied by Union Carbide (GRSN 7510NT) and is the copolymer of ethylene and hex-1-ene with density of 0.919 g/cm3 and MFI of 0.75 g/10 min at 190
C, 2.16 kg. HPLC [carried out at Cabot Plastics (UK) Ltd.] analysis indicated that the LLDPE powder contained 0.1% (w/w) B-blend of antioxidant system B225 (Irganox 1010:Irgafos 168=1:1, Ciba Speciality Chemicals) for melt stabilisation during manufacture. Carbon black properties are determined by their mode of manufacture and are defined in terms of their primary particle size, porosity, aggregate and surface chemical composition [11].Carbon black particles do not exist separately but as aggregates which represent more accurately their effective size [11].The shape or structure of these aggregates is industrially determined by the dibutyl phthalate (DBPA) absorption method [12].Low structured blacks tend to have simple (linear or spherical) aggregated geometries, whereas highly structured blacks have complex and often branched aggregates [13,14]. In addition to the carbon black variables of particle size, structure and concentration, volatile contents that reflect the chemical compositions on the particle surfaces may be defined.However, in this study, volatile contents of selected carbon blacks are relatively low (1.0 and 1.5%), and the effect of volatile content on the UV durability is not considered.The main properties of nine grades of carbon black used at two concentrations are shown in Table 1.The various carbon blacks are grouped into small/low, medium/medium and large/ high respective size/structure combinations. The carbon black-containing LLDPE films were extruded by using Plasticisers MK1 single laboratory screw extruder with L/D=21 and internal barrel diameter of 22 mm through a slit die 600.4 mm on to a water-cooled chill roll.Edges of the films were trimmed off before collection.A cavity transfer mixer (CTM) was installed between the end of the screw and extrusion die in order to give good dispersion of carbon black in the films.Films were produced in a generally disorientated form 75 mm thick. 2.2. Artificial weathering The exposure sources used attempt to replicate UV with shorter (UVB; 190–۳۱۵ nm), longer (UVA; 315–۴۰۰ nm) and total wavelength contents of the terrestrial sun spectrum.Respective irradiation times were chosen so as to be less than or at least equal to those required to generate a 50% loss of tensile behaviour for the most stable films.In practice this was difficult to achieve because of the long times needed with some sources and irradiation times of upto 4000 h for UVA, 2000 for UVB and 2400 h for xenon arc sources were found to be required. ۲٫۲٫۱٫ UVA and UVB fluorescent tube sources The fluorescent tube sources used in this project were either UVB lamps (310 nm maximum intensity) or UVA lamps (340 nm maximum intensity) in a QUV/se tester (QPanel Company) consisting of two exposure chambers at each side containing four of the appropriate 1.2 m fluorescent tubes designed to give acceptably uniform outputs over their lengths except close to respective ends.The installed solar eye system via two sensors per side evenly control the exposure intensity between the horizontal tubes and also monitors the overall tube intensities.The radiation intensity was calibrated by a radiometer every 400 h.UVB radiation intensity was 0.63 W m2 at a chamber temperature of 60
C whilst the irradiation of UVA was set at 1.25 W m2 and the same chamber temperature.In order to provide a more realistic weather exposure regime, the UVB source was also used in alternating light (8 h 60
C) and dark (4 h 50
C) with condensation mode [UVB(C)] cycles. Two film specimens (32090 mm with total specimen exposure area of 11545 mm for each of two film specimens) were mounted in each sample holder and sample holders were horizontally shifted one space laterally daily to minimise abnormal exposures as a consequence of illuminant intensity and wavelength variability along the tube lengths [16].Previous calibration experiments had demonstrated that end positions of holders received lower radiation intensities than the others which were acceptably uniform [17]; consequently, each end sample holder was used without any specimen present. 2.2.2. Xenon arc source The Xenotest 150S (Heraeus Ltd., UK) fitted with a 1300 W xenon arc lamp (source intensity estimated from the manufacturer’s specifications for the infrared filtered condition ۰٫۰ W/m2 /5 nm at 310 nm and  ۲٫۵ W/m2 / 5 nm at 340 nm) was used in this project.Film samples were cut to fit the 13545 mm specimen holders.To simulate outdoor sunlight weathering conditions, six infrared and one dark UV filters were fitted around a xenon arc lamp.The black panel temperature was set at 45۳
C and the relative humidity controlled at 65۵% in the exposure chamber.The xenon arc lamp was replaced after 1500 h running period as recommended by the manufacturers because of excessive and unacceptable intensity deterioration.