Види старіння, випробування на старіння та методи антистаріння полімерних матеріалів
01 Сучасний стан розвитку полімерних матеріалів
Полімерні матеріали завдяки своїм чудовим властивостям, таким як легка вага, висока міцність, термостійкість і стійкість до корозії, зараз широко використовуються в багатьох галузях, таких як високоякісне виробництво, електронна інформація, транспорт, енергозбереження будівель, аерокосмічна промисловість і національні оборонної та військової промисловості. зіграла величезну роль.
Це не тільки важлива базова галузь народного господарства, а й провідна галузь країни;
Це не лише стратегічна галузь, що розвивається в нафтохімічній промисловості, але й важливий допоміжний матеріал для стратегічних галузей, що розвиваються, таких як електронна інформація, авіакосмічна промисловість, національна оборона та нова енергетика;
Він не тільки має високу технологічність і високу додану вартість, але й є важливим напрямком для трансформації та модернізації нафтохімічної галузі.
Тому полімерні матеріали завжди були сферою розвитку, якій розвинені країни та транснаціональні компанії надають великого значення. Це не тільки забезпечує широкий ринковий простір для індустрії нових полімерних матеріалів, але й висуває більш високі вимоги до її якості, рівня надійності та можливостей підтримки.
Тому питання про те, як максимізувати функції виробів з полімерних матеріалів на основі принципів енергозбереження, низького вмісту вуглецю та екологічного розвитку, привертає все більше уваги. Старіння є важливим фактором, що впливає на надійність і довговічність полімерних матеріалів.
02 Види старіння полімерних матеріалів
Під час переробки, зберігання та використання полімерних матеріалів внаслідок спільної дії внутрішніх і зовнішніх факторів їх властивості поступово погіршуються і з часом втрачають споживчу цінність. Це явище відноситься до старіння полімерних матеріалів.
Це не тільки спричиняє марну витрату ресурсів, але навіть може призвести до більших аварій через функціональну несправність, а розкладання матеріалів, викликане старінням, також може забруднювати навколишнє середовище.
Через різні типи полімерів і різні умови використання вони мають різні явища та характеристики старіння. Загалом, старіння полімерних матеріалів можна класифікувати за наступними чотирма типами змін:
1. Зміни зовнішності
Поява плям, плям, смуг, тріщин, нальоту, крейдування, липкості, викривлення, «риб’ячих очей», зморшок, усадки, вигорання, оптичних спотворень і змін оптичного кольору.
2. Зміни фізичних властивостей
Включаючи зміни розчинності, набухання, реологічних властивостей, холодостійкості, термостійкості, водопроникності, повітропроникності та інших властивостей.
3. Зміни механічних властивостей
Зміни міцності на розтяг, міцність на вигин, міцність на зсув, ударну міцність, відносне подовження, релаксацію напруги та інші властивості.
4. Зміни електричних властивостей
Такі як зміни поверхневого опору, об’ємного опору, діелектричної проникності, міцності електричного пробою тощо.
03 Фактори, що викликають старіння полімерних матеріалів
1. Макроаналіз
Оскільки під час переробки та використання полімерів, вони будуть піддаватися спільному впливу факторів навколишнього середовища, таких як тепло, кисень, вода, світло, мікроорганізми та хімічні середовища. Їх хімічний склад і структура зазнають низки змін, і відповідно зміняться їхні фізичні властивості. Погіршення, таке як твердість, липкість, крихкість, зміна кольору, втрата міцності тощо. Ці зміни та явища називаються старінням.
2. Мікроскопічний аналіз
Високомолекулярні полімери утворюють молекули у збудженому стані під дією тепла або світла. Коли енергія достатньо висока, молекулярні ланцюги розриваються з утворенням вільних радикалів. Вільні радикали можуть утворювати ланцюгові реакції всередині полімеру, продовжувати спричиняти деградацію та спричиняти зшивання.
Якщо в навколишньому середовищі присутні кисень або озон, буде викликана низка реакцій окислення з утворенням гідропероксидів (ROOH), які далі розкладаються на карбонільні групи.
Якщо в полімері є залишкові іони металів каталізатора або іони металів, такі як мідь, залізо, марганець, кобальт тощо, вводяться під час обробки та використання, реакція окисної деградації полімеру прискориться.
04 Тест на старіння
При розробці або вдосконаленні нових матеріалів, щоб перевірити термін їх служби або ефект від старіння, потрібне випробування на старіння. Загальні тести на старіння включають природне старіння та лабораторне прискорене старіння.
1. Природне старіння
Природне старіння полягає в контакті зразка матеріалу безпосередньо з природним середовищем. Зазвичай зразок встановлюють на експонуючу стійку під певним кутом. Загальні кути експозиції: 5 градусів, 45 градусів і 90 градусів. Відповідні стандарти тестування включають ISO 877 Пластмаси - Методи впливу сонячного випромінювання; ISO2810 Фарби та лаки. Природне вивітрювання покриттів. Експозиція та оцінка; ASTMG7 Стандартна практика випробування неметалічних матеріалів на вплив атмосферного середовища тощо.
Метод випробування природного старіння простий і недорогий, але його цикл випробувань надто довгий, що впливає на прогрес оптимізації дизайну продукту. Крім того, оскільки це природне середовище і кліматичні умови неможливо контролювати, для забезпечення відтворюваності результатів тестування вибір місця тестування є особливо важливим. Сполучені Штати створили природне кліматичне поле в Південній Флориді в 1931 році, яке є стандартним полем впливу жаркого та вологого клімату в Сполучених Штатах. Випробувальний майданчик, розташований у центральній Арізоні, є стандартним місцем для впливу сухого тепла. Випробувальний майданчик Турпан Національного центру нагляду та інспекції якості автомобільних транспортних засобів моєї країни також є типовим місцем впливу сухого та жаркого клімату. Максимальна температура в районі Турпан з травня по серпень вище 40 градусів, екстремальна максимальна температура становить 49,6 градусів, а середня річна кількість опадів становить лише 8 мм. Поле експозиції в Qionghai, Хайнань має типові жаркі та вологі кліматичні умови. Середньорічна температура становить 27,4 градуса, а середня річна кількість опадів досягає 2134 мм.
2. Прискорене старіння в лабораторії
Щоб пришвидшити цикл випробувань і отримати дані про старіння, лабораторія зазвичай використовує штучні джерела світла для імітації сонячного випромінювання, узгодження різних умов температури, вологості та дощу тощо, а також може імітувати різні природні кліматичні умови.
1) Вибір джерела світла
Широко використовувані джерела штучного світла включають ксенонові дугові лампи, металогалогенні лампи та ультрафіолетові люмінесцентні лампи. УФ-люмінесцентні лампи можуть дуже добре імітувати сонячне світло в середньохвильовому та короткохвильовому УФ-діапазонах. Ксенонові дугові лампи та металогалогенні лампи можуть дуже добре імітувати сонячне світло в повному спектрі. Таким чином, випробувальні камери, які використовують ксенонові лампи та металогалогенні лампи як джерела світла, можуть добре імітувати сонячне випромінювання, тоді як камери старіння, які використовують люмінесцентні ультрафіолетові лампи, не призначені для імітації сонячного світла, а лише імітують ефект старіння сонячного світла. Крім того, на ринку є коробки для старіння, які використовують вугільні дугові лампи як джерело світла. Однак спектр вугільної дуги не має хорошої кореляції зі спектром сонячного світла, і використання випробувань вугільної дугової лампи є причиною історичних причин.
2) Актуальність прискореного старіння
Кореляція означає ступінь узгодженості між результатами прискореного старіння в лабораторії та результатами старіння матеріалу в середовищі фактичного використання. Лише тоді, коли тест на прискорене старіння є актуальним, він може справді відобразити стійкість матеріалу до погодних умов і справді передбачити термін служби матеріалу. Необґрунтоване прискорене тестування знизить актуальність тесту і навіть втратить сенс.
3) Тенденція розвитку прискореного старіння в лабораторіях
Як зазначалося на початку, фактори, що впливають на старіння матеріалу, включають сонячне випромінювання, температуру, воду та інші фактори. Старіння матеріалів є результатом спільної дії цих факторів, але це не проста суперпозиція впливу різних факторів. Також слід враховувати синергію між ними. Таким чином, більш комплексне моделювання середовища фактичного використання матеріалу може призвести до кращих відповідних результатів. Наприклад, згідно зі стандартом ISO 20340 тест базується на циклі в 7 днів. З 1-го по 3-й день виконується УФ-тест із циклом світла та темряви відповідно до ISO 11507. З 4-го по 6-й день проводиться тест на сольовий туман відповідно до ISO 9227. На 7-й день ({{9} } Випробування при низькій температурі ±2) градуси. Порівняно з традиційним тестом на стійкість до атмосферних впливів, він включає більше факторів, що впливають на старіння, і більше відповідає фактичним умовам використання матеріалу, тому може краще відображати фактичне старіння матеріалу. Ми знаємо, що цвіль, концентрація озону тощо мають важливий вплив на старіння пластикових виробів. Одним із напрямків розвитку прискореного старіння в лабораторіях стане те, як інтегрувати більше факторів старіння в тестування.
05 Методи антистаріння полімерних матеріалів
На даний момент до основних методів поліпшення та посилення антивікових властивостей полімерних матеріалів відносяться наступні:
1. Фізичний захист (наприклад, потовщення, фарбування, компаундування зовнішнього шару тощо)
Старіння полімерних матеріалів, особливо фотокисневе старіння, спочатку починається з поверхні матеріалу або продукту, проявляючись у вигляді зміни кольору, порошкоподібності, розтріскування, втрати блиску тощо, а потім поступово проникає глибше всередину. Тонкі вироби частіше виходять з ладу передчасно, ніж товсті, тому термін служби виробу можна продовжити за рахунок потовщення виробу. Для продуктів, які схильні до старіння, ви можете нанести на поверхню шар покриття з хорошою атмосферостійкістю або з’єднати шар матеріалу з хорошою атмосферостійкістю на зовнішній шар виробу, щоб прикріпити захисний шар до поверхні. продукт. Уповільнюють процес старіння.
2. Удосконалити технологію обробки
Багато матеріалів також мають проблеми зі старінням під час процесу синтезу або підготовки. Наприклад, вплив тепла під час полімеризації, термокисневого старіння під час обробки тощо. Відповідно, вплив кисню можна пом’якшити шляхом додавання пристрою для видалення кисню або вакуумного пристрою під час полімеризації чи обробки. Однак цей метод може гарантувати ефективність матеріалу лише тоді, коли він покидає фабрику, і цей метод може бути реалізований лише з джерела підготовки матеріалу та не може вирішити проблему старіння під час його повторної обробки та використання.
3. Конструкція або модифікація полімерних матеріалів
Багато полімерних матеріалів містять у своїй молекулярній структурі групи, які дуже схильні до старіння. Тому завдяки молекулярній структурі матеріалу заміна груп, які схильні до старіння, групами, які не схильні до старіння, часто може досягти хороших результатів. Або функціональні групи або структури з ефектом запобігання старінню можуть бути введені в полімерний ланцюг шляхом щеплення або кополімеризації, надаючи самому матеріалу чудові функції проти старіння. Це також метод, який часто використовують дослідники, але вартість його відносно висока. Високе, великомасштабне виробництво та застосування поки що неможливо досягти.
4. Додайте антивікові добавки
В даний час ефективним і поширеним способом підвищення стійкості до старіння полімерних матеріалів є додавання антистаріючих добавок, які широко використовуються через їх низьку вартість і відсутність змін в існуючих виробничих процесах. Існує два основних способи додавання цих добавок проти старіння:
Метод прямого додавання добавок: тобто добавка проти старіння (порошок або рідина) безпосередньо змішується та перемішується з сировиною, такою як смола, а потім екструдується для гранулювання або лиття під тиском тощо. Оскільки цей метод додавання простий і легкий для реалізації він широко використовується більшістю фабрик з гранулювання та лиття під тиском.
Метод додавання маткової суміші проти старіння: виробники з підвищеними вимогами до якості продукції та стабільності якості частіше використовують метод додавання маткової суміші антистаріння під час виробництва. Маткова суміш, що запобігає старінню, одержується шляхом використання відповідної смоли як носія, змішаної з різноманітними ефективними добавками, що запобігають старінню, а потім спільно екструдованої та гранульованої за допомогою двошнекового екструдера. Перевагою його застосування є використання добавок, що запобігають старінню, у процесі приготування маткової суміші. По-перше, досягається попередня дисперсія, а потім у подальшому процесі обробки матеріалу добавки проти старіння вторинно диспергуються, досягаючи мети рівномірного диспергування добавок у матриці полімерного матеріалу, що не тільки забезпечує стабільність якості продукту, а також запобігає забрудненню пилом під час виробництва, роблячи виробництво більш екологічним і екологічно чистим.