光安定劑應用在PET板材之探討—台灣永光化學  

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朱孝培、簡智嫻、傅志中、顏盟晃、陳正聲、黃耀興/台灣永光化學工業(股)公司

聚對苯二甲酸乙二酯(PET)具有高透光性,故常作為光學膜/材使用。而為了增加產品的附加價值,會添加光安定劑來降低紫外光穿透率和提昇耐候特性。本實驗添加不同的紫外光吸收劑,探討紫外光吸收劑對PET起始顏色和紫外光穿透的影響。人工加速老化實驗結果顯示,紫外光吸收劑可有效地提昇PET的耐候特性。本研究也添加HALS在PET,探討HALS在PET裡的耐候效果。

簡介
聚對苯二甲酸乙二酯(Po l y e t h y l e n e Terephthalate; PET)是生活中常見的一種高分子,具有優良的韌性、耐磨性、電絕緣性、高透光性等優點。可利用押出(Extrusion)、射出(Injection)等方式製作出不同的產品,如容器、纖維、薄膜、電器零組件等應用。其中高透光、高流動性和高熔融強度等特性使PET可製作成各種光學薄膜,如包裝薄膜、太陽能背板、保護膜、增亮膜、隔熱膜等應用。
PET是屬於聚酯高分子,由對苯二甲酸與乙二醇經由縮合反應而成,其分子結構如圖一所示。其苯環使PET具有良好的剛性、耐熱性、尺寸安定性等特性,酯基使PET具有好的柔軟性和延伸性等特性。

圖一、PET分子結構
圖一、PET分子結構
 
PET照射到紫外光之後,所產生的光劣化機制,很多學者提出不同的反應途徑。其中G. J. M Fechine(2)等人利用紅外光、紫外/可見光光譜儀和螢光光譜儀等設備,分析PET在耐候過程中的圖譜變化,進而推導出PET的光降解機制,如圖二所示。由圖二得知,PET受到自由基攻擊之後,酯基部份會裂解產生自由基,此自由基與空氣中氧分子作用,形成過氧自由基,過氧自由基會與高分子發生氫抽取反應,在主鏈上產生羧酸基,羧酸基會吸收光/熱,造成酯基部份斷鍵,產生羧酸等衍生物。

圖二、PET光降解機制
圖二、PET光降解機制
 
為了降低紫外光對於PET的破壞,且需維持透明材的特性,一般會使用光安定劑來改善耐候問題,而光安定劑包括紫外光吸收劑(UV Absorber; UVA)和受阻胺光安定劑(Hindered-Amine Light Stabilizers;HALS),紫外光吸收劑可吸收紫外光轉換成熱能散發掉。受阻胺光安定劑主要為捕獲自由基,中止劣化的連鎖反應發生,但鹼性的HALS對酸性高分子可能產生失效,而HALS對於PET的相關文獻資料並不多,故本研究初步添加不同類型的HALS在PET中,探討其實驗的結果。

材料與方法
1. 實驗原料
聚對苯二甲酸乙二酯採用新光股份有限公司(型號5564);光安定劑則選用如表一所示。
2. 製作方法
將PET放入烘箱,經由真空泵抽真空,並設定120˚C放置4小時去除水分,再添加不同含量的光穩定劑在PET中,經由震雄機械的50T射出成型機製作出所需的試片,其PET板材尺寸(長×寬×厚)為50 × 50 × 0.81mm。
3. 耐候測試及量測規範
採用Shimadzu(型號UV-2600)的UVVisible光譜儀,分別量測試片在波長300和800 nm之間的穿透率圖譜後,利用美國Q-LAB UV測試機(型號QUV/se),按照340nm燈管和照射能量0.89 W/m2/nm全照光方式進行加速老化實驗,依不同照射時間的樣品,利用Minolta色差儀(型號CM-3500d)依照CIE 15:2004規範進行顏色測定,量測黃色指數(Yellowness Index; YI值)。

結果與分析
1. 起始顏色影響與紫外光阻隔率
PET膜材添加紫外光吸收劑,常造成PET膜材偏黃,此為紫外光吸收劑達到一定濃度下會吸收到微量的藍光區(400~450nm),使PET膜顏色偏黃,進而使顯示器產生色差現象。本實驗為了制定更嚴苛的條件,製作0.81 mm厚的PET板材,添加0.6%的光安定劑量測起始顏色(YI值),其結果如圖三所示。空白組(Control)的YI值約為1.06,UVA1組的YI值約為1.97,增加了約85.8%,UVA3組的YI值約2.18,增加了約105%,而UVA2組的YI值則只有1.09,增加僅約2.8%,對PET板材的起始顏色影響低。
圖三、光安定劑添加在PET板材的起始顏色(YI值)
圖三、光安定劑添加在PET板材的起始顏色(YI值)
 

利用UV-Visible光譜儀量測PET板材的穿透率圖譜,如圖四所示。並將其轉換成紫外光平均穿透率(300~400 nm)和可見光平均穿透率(400~800 nm),如表二所示。添加UVA1、UVA2以及UVA3能降低紫外光穿透率分別至1.12%、6.45%和2.92%,分別有效提昇紫外光阻隔率約97.6%、86.5%和93.8%的效能。在可見光平均穿透率分別為86.62%、87.89和87.34%,其影響程度分別為1.45%、0.01%和0.63%。
圖四、光安定劑添加在PET板材的穿透率
圖四、光安定劑添加在PET板材的穿透率


表二、PET添加光安定劑的平均穿透率
表二、PET添加光安定劑的平均穿透率
 
2. QUV耐候測試
將上述試片經由QUV耐候測試750小時,其黃變值變化(ΔYI值),如圖五所示。空白組的ΔYI值高達至3.00,而添加紫外光吸收劑UVA1、UVA2和UVA3的ΔYI值分別為0.87、0.85和0.68,能提昇PET的耐候特性分別為71%、71.66%和77.33%,能有效降低PET材質的黃變問題。
圖五、PET板添加UVA經QUV耐候750小時後的ΔYI值變化
圖五、PET板添加UVA經QUV耐候750小時後的ΔYI值變化
 
 
添加1.0%的HALS在PET板材,經由耐候測試750小時,其結果如圖六所示。耐候測試前,空白組的YI值約1.35,而HALS1和HALS2組分別為7.53和1.23。N-H型HALS1添加在PET板材,會使PET板的YI值增加了4.5倍,而N-R型HALS2則對起始YI值影響不大,其可能是HALS1的pKa為5.4,偏鹼性HALS,故易與PET裂解的酸性物質產生酸鹼中和,進而影響PET板的YI值。而HALS2的pKa值為7.5為偏中性的HALS,不易和PET產生負效應。在耐候測試,HALS1和HALS2組的YI值皆呈現上升且遠高於Control組。
 
圖六、PET板添加HALS經QUV耐候750小時後的YI值變化
圖六、PET板添加HALS經QUV耐候750小時後的YI值變化
結果
PET板材添加紫外光吸收劑有效增加紫外光阻隔率,以UVA1為例,紫外光穿透率從47.79%最高降低至1.12%。但卻會影響到可見光穿透率從87.90下降至86.62,約影響1.45%穿透率。如需不影響可見光穿透率,則可使用UVA2,只影響約0.01%的穿透率。
經耐候測試後,三嗪類光安定劑UVA3能有效地降低PET黃變,其色差值(ΔYI)由3.00降低至0.68,能有效提昇PET耐候特性約77.33%。
PET板材添加HALS在耐候行為表現上,本研究發現偏鹼性的HALS1在製作成試片時,就已影響試片的YI值,而偏中性的HALS2則無此現象,可能與PET的酸性物質有關,可列入未來探討方向之一。
未來PET在高階的應用上,對耐候的需求將會愈來愈嚴格,功能性也愈來愈多,兼具長效性與多功能性的配方產品也是未來值得探討的重點。

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