新型受阻胺光稳定剂在人造草丝中的应用

安晶晶 赵 莉 周彦博 陈 炜 谢 琪 李 靖 刘 罡

（北京天罡助剂有限责任公司，北京，100079）

受阻胺类光稳定剂HALS (Hindered Amine Light Stabilizer)是一类新型高效稳定剂，20世纪70年代中期由日本三共公司研制开发，并成功实现工业化生产。由于其光稳定效果明显优于传统吸收型光稳定剂，且与许多树脂具有良好的相容性，因此成为目前发展最快的一类稳定剂[1-3]。国际上受阻胺类光稳定剂年用量增长率20%～30%，消费总量已占稳定剂总量的44%，跃居各类稳定剂之首。HALS在我国的塑料、橡胶等高分子材料的防老化体系中也得到广泛应用，且每年的用量也不断递增。

在世界上的许多国家，由于受不同的地理位置、极端的自然条件以及各自的经济状况等因素的影响，同时，也由于相当数量的天然草球场必须添加顶棚等设施的原因，使得天然草坪的铺设和维护变得比较困难。在这样特定的条件下，人造草显示出极大的优势，其具有使用频率高，铺装容易、维护保养简单、排水快捷等特点。经过较长时间的发展，人造草技术已经较为成熟，多项指标接近天然草，在世界范围内流行开来。

人造草丝被广泛用于曲棍球、棒球、橄榄球等专用比赛场地，足球、网球、高尔夫球等运动的公众练习场地或作为地面铺装美化室内环境等。由于人造草丝原料以聚乙烯、聚丙烯为主，也可用聚氯乙烯和聚酰胺等，而且绝大部分人造草丝都在户外使用，所以人造草丝的防老化问题一直是关注的重点。

1 受阻胺类光稳定剂的作用机理

当前，对于高分子材料来说，受阻胺类光稳定剂是最有效的光稳定剂，很多学者研究了受阻胺稳定剂对高分子材料起稳定作用的机理，认为通常有如下3种机理。

图1 受阻胺类光稳定剂的作用机理示意图Fig.1 Schematic diagram of action mechanism of a hindered amine light stabilizer

1.1 捕获自由基

受阻胺的官能团属于脂环胺类结构，在光氧的作用下，受阻胺能被氧化生成相应的氮氧自由基，该化合物相当稳定。本身不吸收任何大于260 nm的光线，也不能猝灭激发态分子，但能有效地捕获聚合物光氧化降解产生的活性自由基，而且在此过程中受阻胺类光稳定剂可循环再生，其效率比紫外线吸收剂高2～4倍。这是受阻胺类光稳定剂区别其他稳定剂的最大特征。

1.2 分解过氧化物

引发聚合物光氧化降解的根源是过氧化物的存在和积累。过氧化物可被受阻胺类光稳定剂有效地分解，转化为相对稳定的醇、酮化合物，从而阻断聚合物的降解。受阻胺光稳定剂在分解过氧化物过程中，被还原重新生成氮氧自由基，从而继续捕捉新产生的自由基。受阻胺类光稳定剂的自由基捕获和过氧化物分解的协同作用呈现在这一过程中。Grattan等认为，氮氧自由基对氢过氧化物有强烈的浓集作用，用ESR测定表明，在过氧化氢周围，氮氧自由基的浓度高于无过氧化物区25倍。

1.3 猝灭单线态氧

受阻胺光稳定剂被氧化为氮氧自由基时，能有效地猝灭单线态氧和其他激发态分子的能量，其猝灭效果完全可同含镍猝灭剂相媲美。受阻胺猝灭激发态的具体机理可能是：通过激发受阻胺后形成电荷转移络合物，从而起到消能的作用，但至今未见详细的研究报道。这是受阻胺类光稳定剂稳定机理中唯一直接与光有关的机理。

2 国内受阻胺光稳定剂在人造草丝中的应用

国内最早于20世纪80年代末引进人造草坪，直到90年代中后期才得到大面积的推广。它和塑胶跑道一起成为学校运动场地建造的标准模式，替代了大量原本种植天然草坪的运动场地。尽管由于运动安全、场地特性及公众认知等方面的原因，人造草坪的应用范围在一定程度上受到了限制，但随着科技的发展，人造草坪的生产制作技术不断得到了创新和提高。

2.1 传统光稳定剂

20世纪80年代末是我国人造草丝的起步阶段，耐候所需的受阻胺光稳定剂主要依赖进口，国内光稳定剂处于模仿阶段，主要模仿国外的944、783、622等产品。这些产品在人造草丝中应用技术成熟，可完全取代进口同类型产品，至今在一般的耐候人造草丝应用中仍占有一席之地。

2.2 新型长效光稳定剂

进入2000年后，我国人造草丝技术和用量飞速发展，受阻胺光稳定剂也进入自主研发阶段，代表产品HS-G50是一种具有自主知识产权的受阻胺光稳定剂。

2.2.1 试样

（1）试验规格：人造草丝，绿色，12000D。

（2）试验配方见表 1。

表1 绿色人造草丝(12000D)光稳定剂含量Tab.1 Light stabilizer content%in the green artificial grass filament(12000D)%

2.2.2 光稳定

（1）试验条件

按照FIFA人造草丝QUV测试标准进行测试。 灯源为 UV-A 340 nm；周期为 4 h，0.8 W/m2；2 h，黑暗凝露，45 ℃。

（2）试验结果见图2和图3。

图2 人造草丝人工加速老化拉伸强度变化结果Fig.2 Change of force value of artificial accelerated aging of the artificial grass filament

图3 人造草丝人工加速老化断裂伸长率保留率变化结果Fig.3 Results of retention rate of fracture elongation during artificial accelerated aging of the artificial grass filament

图2和图3是不同的老化时间后，人造草丝力学性能的变化情况。从图中看出，随着老化时间的增加，人造草丝的拉伸强度保留率和断裂伸长率保留率逐渐降低。与HS-944相比，添加相同含量的HS-G50在相同老化时间下，具有更高的力学性能保留率。这一结果说明，HS-G50与HS-944相比，具有更加优异的防光老化性能。

2.3 新型耐酸性高效光稳定剂

传统的HALS已不能完全满足人造草丝新的使用需求。首先，全球气候变暖，对人造草丝耐热氧老化性的要求日益提升。其次，具有仲胺和叔胺结构的受阻胺光稳定剂呈现出较高的碱性[5]，当遇到酸性物质时，易发生酸碱中和反应，致使受阻胺光稳定剂丧失了光老化防护能力。消毒水或洗涤剂中的酸性物质（主要是硫、氯遇空气中的氧、水汽生成酸）会与呈碱性的HALS发生负效应。进而导致人造草丝的提前老化。

因此，耐酸性受阻胺类光稳定剂的开发，成为全球光稳定剂企业持续投入研发的全新技术领域。HS-G55是耐酸型高相对分子质量受阻胺光稳定剂的重要升级产品，其具有更窄的相对分子质量分布、更高的有效氮含量，能显著提升制品的长效热氧稳定性。其弱碱性降低了与酸性物质的反应活性，提升了人造草丝的耐酸性，可以抵抗频繁的洗涤剂、消毒水等的冲洗[4]。

2.3.1 试样

（1）试验规格：人造草丝，绿色，7800D。

（2）试验配方见表 2。

表2 绿色人造草丝(7800D)光稳定剂含量Tab.2 Light stabilizer content%in the green artificial grass filament(7800D)%

2.3.2 热氧稳定性

（1）试验条件

将样品在热氧老化箱中于100℃下放置，老化箱的风速为0.5 m/s、试架转速为11～12 r/min。放置一定时间后，将样品取出进行力学性能测试。

（2）试验结果

从图4看出，经过250 d 100℃的加速热氧老化测试，添加HS-G55的人造草丝的拉伸强度保留率和断裂伸长保留率明显高于添加HS-944的人造草丝。这一结果说明，HS-G55光稳定剂对人造草丝也能起到明显的热氧老化保护作用。

图4 人造草丝热氧老化力学性能变化结果Fig.4 Thermo-oxygen aging mechanical property change results of the artificial grass filament

2.3.3 光稳定性

（1）试验条件

按照FIFA人造草丝QUV测试标准进行测试。 灯源为 UV-A 340 nm；周期为：4 h，0.8 W/m2；2 h，黑暗凝露，45℃。

（2）试验结果见图5和图6。

图5 人造草丝人工加速老化拉伸强度变化结果Fig.5Change of force value of artificial accelerated aging of the artificial grass filament

图5和图6是老化前后人造草丝力学性能的变化情况。从图5和图6看出，随着老化时间的增加，人造草丝的拉伸强度保留率和断裂伸长率保留率逐渐降低。与HS-944相比，添加相同含量的HS-G55在相同老化时间下，具有更高的力学性能保留率。这一结果说明，HS-G55与HS-944相比，具有更加优异的防光老化性能。

图6 人造草丝人工加速老化断裂伸长率变化结果Fig.6 Results of retention rate of fracture elongation during artificial accelerated aging of the artificial grass filament

2.3.4 耐酸性

（1）试验条件

将样品放置在0.1 N的H2SO3溶液中浸泡24 h，然后冲洗样品，最后将样品按照FIFA人造草丝QUV测试标准进行测试。灯源为UV-A 340 nm；周期为：4 h，0.8 W/m2；2 h，黑暗凝露，45 ℃。

（2）试验结果见图 7。

图7 酸处理后人造草丝人工加速老化力值保留率变化结果Fig.7 Results of reserve rate of artificial aging force value of the artificial grass filament after acid treatment

图7是不同的老化时间后，经过酸处理的人造草丝的力值变化结果。从图7看出，随着老化时间的增加，人造草丝的力值保留率逐渐降低。与HS-944相比，添加相同含量的HS-G55在相同老化时间下，具有更高的力值保留率。这一结果说明，HS-G55与HS-944相比，具有更加优异的耐酸性。其原因为，HS-G55具有低碱性，降低了其与酸性物质的反应活性，适用于与酸性物质频繁接触的人造草丝。

2.4 最新一代高效受阻胺光稳定剂HS-G63

与传统HALS相比，虽然新型受阻胺光稳定剂HS-G55结构不同，碱性有所降低，与酸性物质的反应活性也随之降低，但当酸性物质足够充足，环境过于苛刻时，它们仍会优先与酸性物质反应成盐，从而失去防老化功效。因此近两年正在积极研发最新一代高效受阻胺光稳定剂HS-G63。该产品具有更加优异的光稳定性，在苛刻的酸性环境下也能保持高效、优异的光稳定活性。该产品目前正处于小范围应用试验阶段，已初见成效。

3 结语

随着我国经济的高速发展，场地建设也进入高速发展时期。人造草丝产品逐渐深得广大用户的青睐，如今已成为在奥运工程、球类训练基地及广大学校用户钟爱选用的产品。由于主要以户外使用为主，所以人造草丝的防老化问题一直都是重中之重。正是这一强大的市场推动光稳定剂的不断创新，同时有效保障了的人造草丝品质，为用户的生活提供乐趣的同时，也带来了健康。