朱孝培、顏盟晃、邱建勇、黃耀興 / 永光化學工業股份有限公司
本研究旨在對聚丙烯進行一系統耐候研究，探討純聚丙烯和添加碳黑著色之後，其耐候的保護效果。並且針對黑色聚丙烯添加不同類型的光安定劑，探討其最適化的組合，其測試結果顯示，本研究開發的Eversorb® 991能比一般型光安定劑提供更長效的耐候保護。本研究也探討一般型光安定劑會和硬酯酸鋅產生反應，進而產生沉澱物造成模垢問題，而Eversorb® 991具有低反應性，不易和硬酯酸鋅產生反應，能提供優異的耐候保護。
聚丙烯(Polypropylene; PP)為一種半結晶的熱塑性塑膠，為聚烯烴樹脂的一種。聚丙烯是目前產量及用量僅次於聚乙烯的第二大塑料，具有優異的機械性能和加工性，是其能快速發展的原因之一，並能大幅應用在汽車、家電、建材等領域。由於聚丙烯在工業上的重要性，故聚丙烯的降解得到廣泛的研究和討論。
在討論聚丙烯的降解之前，先瞭解到聚烯烴類樹脂的降解。在有氧存在時，聚烯烴會發生自動氧化，而在高溫和紫外光照射下，氧化會加速產生，發生熱氧降解和光氧降解。自動氧化與聚合物結構有關，市場上三種主要的聚烯烴的氧化穩定性順序為高密度(線性)聚乙烯、低密度(支化)聚乙烯、聚丙烯。故得知聚丙烯因聚合物結構的關係，相較於聚乙烯穩定性較低。在聚丙烯降解機制最重要的兩種光氧化物質為羰基化合物和氫過氧化物。
聚丙烯因含有叔氫，使氫過氧化物的生產更加容易，氫過氧化物的產生則表示聚丙烯產生降解現象，如圖一所示，此裂解會造成產品出現龜裂和粉化問題。聚丙烯的降解會產生許多產品不良的問題，比如褪色、龜裂、粉化現象。而聚丙烯所製的產品常在戶外使用，如車用零組件、建築材料等。為了改善高分子在戶外的耐候性質，以延長塑膠的生命週期，故發展出了光安定劑這類的產品。而光安定劑目前主要分為兩大類：①紫外光吸收劑(UV Absorber; UVA)、②受阻胺光安定劑(Hindered Amine Light Stabilizers; HALS)。
聚丙烯常使用的紫外光吸收劑為苯並三唑類(Benzotriazole)紫外線吸收劑，其穩定機理能夠將吸收的紫外光能量轉變為熱能散發掉。分子結構中的苯環上均有鄰位羥基，能通過氫鍵的作用以及發生分子重排的可逆變化將激發能消耗掉，從而保護聚合物分子，其作用機制如圖二所示。受阻胺光安定劑作用機制最著名的是Denisov迴圈理論，如圖三所示，HALS能分解過氧化物或和氧結合成氮氧自由基，進而去捕捉高分子自由基，中斷高子裂解的連續反應(3-4)。但傳統的HALS結構偏鹼性，故在酸性環境或酸性配方下，容易產生四級胺鹽類進而失效，或可能產生沉澱物。
本研究分別針對聚丙烯進行一系列的耐候研究，以及探討光安定劑對聚丙烯的影響，並測試不同光安定劑對酸性物質的反應性，藉此提出最適化聚丙烯的光安定解決方案。
實 驗
1. 主要原料與實驗流程
本研究將聚丙烯添加市場上常見的紫外光吸收劑和光安定劑以及配方產品，如表一所示。經由震雄射出機射出成型，製作出3.2 mm的聚丙烯試片。試片分別利用於加速老化試驗QUV、Q-Panel，依照ASTM G154-16 Cycle 1加速老化測試進行耐候實驗(340 nm, 0.89 W/m2/nm)，利用色差儀(KONICA MINOLTA CM-5)量測色差值(Difference Color, ΔE)，其計算式如式(1)所示，色差值愈大表示試片顏色變化愈大，利用色差值可觀察未添加光安定劑的變色現象以及添加光安定劑的變色現象是否有所差異。本研究也將耐候後的試片，量測其光澤度(Gloss, 60°)，並利用顯微鏡觀測表面是否有龜裂(Cracking)或粉化(Chalking)現象。
表一、本研究測試的光安定劑和其特性說明
實驗結果
1. 碳黑對聚丙烯耐候保護
碳黑經常利用在塑料染色，具有優異光遮蔽性，對於耐候可有些許的提升。故本研究測試本色的聚丙烯和添加5.5%碳黑製作成黑色聚丙烯，利用ASTM G154-16加速老化測試機(Cycle 1, 340 nm)，照射1,000小時後，分別量測色差值(Difference Color; ΔE)和光澤度(Gloss, 60°)，其研究結果如圖四所示。經過1,000小時照射，其本色聚丙烯色差值為10.56，黑色聚丙烯色差值為8.04，略為下降。但其色差值皆已超過3以上，一般色差值超過3為人眼能辨識其差異性。而光澤度部分，添加碳黑的黑色聚丙烯會略好於本色聚丙烯，在照射500小時，其本色聚丙烯光澤度已由86下降至18，已有明顯的表面龜裂現象，而黑色聚丙烯照射至1,000小時，光澤度才由86下降至19.4，表面有龜裂現象。
圖四、本色和黑色聚丙烯經由ASTM G154 (Cycle 1,340 nm)照射1,000小時後，其色差值和光澤度的變化
本研究將上述試片再利用光學顯微鏡(放大倍率10倍)觀測表面是否有龜裂現象，其研究結果如表二所示。其本色聚丙烯在500小時表面有明顯的龜裂現象，而黑色聚丙烯則在照射500小時後表面有類似吐霜(Blooming)的現象，由光澤度也可觀測到已自86下降至70 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表二、本色和黑色聚丙烯經由加速老化測試後，利用顯微鏡觀測其表面龜裂現象