Виды старения, испытания на старение и методы борьбы со старением полимерных материалов.
01 Современное состояние развития полимерных материалов
Полимерные материалы благодаря своим превосходным свойствам, таким как легкий вес, высокая прочность, термостойкость и коррозионная стойкость, в настоящее время широко используются во многих областях, таких как высокотехнологичное производство, электронная информация, транспорт, энергосбережение в зданиях, аэрокосмическая и национальная промышленность. оборонная и военная промышленность. сыграл огромную роль.
Это не только важная базовая отрасль народного хозяйства, но и ведущая отрасль страны;
Это не только стратегическая развивающаяся отрасль нефтехимической промышленности, но и важный вспомогательный материал для стратегически развивающихся отраслей, таких как электронная информация, аэрокосмическая промышленность, национальная оборона и новая энергетика;
Она не только имеет высокую технологическую составляющую и высокую добавленную стоимость, но и является важным направлением трансформации и модернизации нефтехимической промышленности.
Поэтому полимерные материалы всегда были областью развития, которой развитые страны и транснациональные компании придают большое значение. Это не только обеспечивает широкое рыночное пространство для индустрии новых полимерных материалов, но и выдвигает более высокие требования к их качеству, уровню надежности и возможностям поддержки.
Поэтому вопрос о том, как максимизировать функции изделий из полимерных материалов на основе принципов энергосбережения, низкого уровня выбросов углерода и экологического развития, привлекает все больше и больше внимания. Старение является важным фактором, влияющим на надежность и долговечность полимерных материалов.
02 Виды старения полимерных материалов
В процессе переработки, хранения и использования полимерных материалов из-за совокупного воздействия внутренних и внешних факторов их свойства постепенно ухудшаются и со временем теряют потребительную ценность. Это явление относится к старению полимерных материалов.
Это не только приводит к пустой трате ресурсов, но может даже привести к более крупным авариям из-за функционального отказа, а разложение материалов, вызванное старением, также может привести к загрязнению окружающей среды.
Из-за разных типов полимеров и разных условий использования они имеют разные явления и характеристики старения. В целом старение полимерных материалов можно разделить на следующие четыре типа изменений:
1. Изменения во внешности
Появление пятен, полос, полос, трещин, налета, меления, липкости, коробления, рыбьего глаза, сморщивания, усадки, подгорания, оптического искажения и изменения оптического цвета.
2. Изменения физических свойств.
В том числе изменения растворимости, набухания, реологических свойств, морозостойкости, термостойкости, водопроницаемости, воздухопроницаемости и других свойств.
3. Изменение механических свойств.
Изменения прочности на растяжение, прочности на изгиб, прочности на сдвиг, ударной вязкости, относительного удлинения, релаксации напряжений и других свойств.
4. Изменение электрических свойств.
Например, изменения поверхностного сопротивления, объемного сопротивления, диэлектрической проницаемости, электрической прочности на пробой и т. д.
03 Факторы, вызывающие старение полимерных материалов
1. Макроанализ
Поскольку во время обработки и использования полимеров они будут подвергаться комбинированному воздействию факторов окружающей среды, таких как тепло, кислород, вода, свет, микроорганизмы и химические среды. Их химический состав и структура претерпят ряд изменений, соответственно изменятся и их физические свойства. Ухудшение состояния, такое как твердость, липкость, ломкость, изменение цвета, потеря прочности и т. д. Эти изменения и явления называются старением.
2. Микроскопический анализ
Высокомолекулярные полимеры образуют молекулы в возбужденном состоянии под действием тепла или света. Когда энергия достаточно высока, молекулярные цепи разрываются, образуя свободные радикалы. Свободные радикалы могут образовывать цепные реакции внутри полимера, продолжать вызывать деградацию и вызывать образование поперечных связей.
Если в окружающей среде присутствует кислород или озон, произойдет серия реакций окисления с образованием гидропероксидов (ROOH), которые в дальнейшем разложатся на карбонильные группы.
Если в полимере присутствуют остаточные ионы каталитических металлов или ионы металлов, таких как медь, железо, марганец, кобальт и т. д., вводятся во время обработки и использования, реакция окислительной деградации полимера будет ускоряться.
04 Испытание на старение
При разработке или совершенствовании новых материалов для проверки их срока службы или антивозрастного эффекта необходимы испытания на старение. Общие тесты на старение включают естественное старение и ускоренное старение в лаборатории.
1. Естественное старение
Естественное старение заключается в прямом воздействии образца материала на окружающую среду. Обычно образец устанавливают на стойке экспонирования под определенным углом. Общие углы экспозиции составляют 5 градусов, 45 градусов и 90 градусов. Соответствующие стандарты испытаний включают ISO 877 «Пластмассы. Методы воздействия солнечной радиации»; ISO2810 Краски и лаки. Естественное выветривание покрытий. Воздействие и оценка; Стандартная практика ASTMG7 для испытаний неметаллических материалов на воздействие атмосферной окружающей среды и т. д.
Метод испытания на естественное старение прост и недорог, но его цикл испытаний слишком длинный, что влияет на ход оптимизации конструкции продукта. Более того, поскольку это естественная среда и климатические условия невозможно контролировать, для обеспечения воспроизводимости результатов испытаний выбор испытательной площадки особенно важен. В 1931 году Соединенные Штаты создали естественное климатическое поле в Южной Флориде, которое является стандартным полем воздействия жаркого и влажного климата в Соединенных Штатах. Испытательный полигон, расположенный в центральной Аризоне, представляет собой стандартный участок воздействия сухой жары. Турфанский испытательный полигон Национального центра по надзору и инспекции качества автомобильной продукции моей страны также является типичным местом воздействия сухого и жаркого климата. Максимальная температура в Турфанском районе с мая по август превышает 40 градусов, экстремальная максимальная температура составляет 49,6 градусов, а среднегодовое количество осадков составляет всего 8 мм. В зоне воздействия Цюнхая на острове Хайнань наблюдаются типичные жаркие и влажные климатические условия. Среднегодовая температура составляет 27,4 градуса, а среднегодовое количество осадков достигает 2134 мм.
2. Ускоренное старение в лаборатории
Чтобы ускорить цикл испытаний и быстрее получить данные о старении, лаборатория обычно использует источники искусственного света для имитации солнечного излучения, соответствия различным условиям температуры, влажности, дождя и т. д., а также может моделировать различные природные климатические условия.
1) Выбор источника света
Обычно используемые источники искусственного света включают ксеноновые дуговые лампы, металлогалогенные лампы и ультрафиолетовые люминесцентные лампы. УФ-люминесцентные лампы могут очень хорошо имитировать солнечный свет в средневолновом и коротковолновом УФ-диапазонах. Ксеноновые дуговые лампы и металлогалогенные лампы очень хорошо имитируют солнечный свет во всем спектре. Поэтому испытательные камеры, в которых в качестве источников света используются ксеноновые лампы и металлогалогенные лампы, вполне могут имитировать солнечное излучение, тогда как камеры для старения, в которых используются люминесцентные ультрафиолетовые лампы, не предназначены для имитации солнечного света, а лишь моделируют эффект старения под действием солнечных лучей. Кроме того, на рынке имеются устаревшие коробки, в которых в качестве источника света используются угольные дуговые лампы. Однако спектр угольной дуги не имеет хорошей корреляции со спектром солнечного света, и использование испытаний угольной дуговой лампой обусловлено историческими причинами.
2) Актуальность ускоренного старения
Корреляция относится к степени соответствия между результатами ускоренного старения в лаборатории и результатами старения материала в условиях фактического использования. Только когда испытание на ускоренное старение актуально, оно может действительно отразить устойчивость материала к атмосферным воздействиям и точно спрогнозировать срок службы материала. Необоснованное ускорение тестирования снизит актуальность теста и даже потеряет его смысл.
3) Тенденция развития ускоренного старения в лабораториях.
Как уже говорилось вначале, к факторам, влияющим на старение материала, относятся солнечное излучение, температура, вода и другие факторы. Старение материалов является результатом совместного действия этих факторов, а не простой суперпозицией воздействия различных факторов. Также необходимо учитывать синергию между ними. Таким образом, более полное моделирование реальной среды использования материала может привести к получению более значимых результатов. Например, согласно стандарту ISO 20340, тест основан на цикле в 7 дней. С 1-го по 3-й день проводится УФ-тест с циклом освещения и темноты в соответствии с ISO 11507. С 4-го по 6-й день проводится испытание в солевом тумане в соответствии с ISO 9227. На 7-й день ({{9} } Испытание на низкую температуру ±2) градусов. По сравнению с традиционным испытанием на устойчивость к погодным условиям, оно включает в себя больше факторов, влияющих на старение, и в большей степени соответствует фактическим условиям использования материала, поэтому может лучше отражать фактическое старение материала. Мы знаем, что плесень, концентрация озона и т. д. оказывают важное влияние на старение пластиковых изделий. Интеграция большего количества факторов старения в тестирование станет одним из направлений развития ускоренного старения в лабораториях.
05 Методы борьбы со старением полимерных материалов
В настоящее время к основным методам улучшения и усиления антивозрастных свойств полимерных материалов относятся следующие:
1. Физическая защита (например, утолщение, покраска, компаундирование наружного слоя и т. д.)
Старение полимерных материалов, особенно фотокислородное старение, сначала начинается с поверхности материала или изделия, проявляясь в обесцвечивании, распушивании, растрескивании, потере глянца и т. д., а затем постепенно проникает вглубь интерьера. Тонкие изделия чаще выходят из строя преждевременно, чем толстые, поэтому срок службы изделия можно продлить за счет его утолщения. Для изделий, склонных к старению, можно нанести на поверхность слой покрытия с хорошей атмосферостойкостью или совместить слой материала с хорошей атмосферостойкостью на наружном слое изделия для прикрепления защитного слоя к поверхности изделия. продукт. Замедлить процесс старения.
2. Улучшить технологию обработки.
Многие материалы также имеют проблемы старения в процессе синтеза или подготовки. Например, влияние тепла при полимеризации, термическое кислородное старение при обработке и т. д. Соответственно, воздействие кислорода можно смягчить, добавив устройство для удаления кислорода или вакуумное устройство во время полимеризации или обработки. Однако этот метод может гарантировать эксплуатационные характеристики материала только на выходе с завода, и этот метод может быть реализован только на этапе подготовки материала и не может решить проблему старения во время его переработки и использования.
3. Конструктивное проектирование или модификация полимерных материалов.
Многие полимерные материалы содержат в своей молекулярной структуре группы, которые очень подвержены старению. Таким образом, за счет проектирования молекулярной структуры материала замена групп, склонных к старению, на группы, не склонные к старению, часто позволяет добиться хороших результатов. Или функциональные группы или структуры с антивозрастным эффектом могут быть введены в полимерную цепь посредством прививки или сополимеризации, придавая самому материалу превосходные антивозрастные функции. Этот метод также часто используется исследователями, но его стоимость относительно высока. Высокое, крупномасштабное производство и применение пока не могут быть достигнуты.
4. Добавьте омолаживающие добавки
В настоящее время эффективным и распространенным способом повышения стойкости полимерных материалов к старению является добавление антивозрастных добавок, которые получили широкое распространение из-за своей дешевизны и отсутствия изменений в существующих процессах производства. Есть два основных способа добавления этих омолаживающих добавок:
Метод прямого добавления добавок: то есть антивозрастная добавка (порошок или жидкость) непосредственно смешивается и перемешивается с сырьем, таким как смола, а затем экструдируется для грануляции или литья под давлением и т. д. Поскольку этот метод добавления прост и удобен. Для реализации он широко используется большинством заводов по производству гранул и литья под давлением.
Метод добавления омолаживающей маточной смеси: Производители с более высокими требованиями к качеству продукции и стабильности качества чаще используют метод добавления омолаживающей маточной смеси во время производства. Маточная смесь, замедляющая старение, получается путем использования подходящей смолы в качестве носителя, смешанной с различными эффективными добавками, замедляющими старение, а затем совместной экструзии и гранулирования с помощью двухшнекового экструдера. Преимущество его применения заключается в использовании добавок, замедляющих старение, в процессе приготовления маточной смеси. Во-первых, достигается предварительное диспергирование, а затем в более позднем процессе обработки материала антивозрастные добавки диспергируются вторично, достигая цели равномерного диспергирования добавок в матрице полимерного материала, что не только обеспечивает стабильность качества продукт, но также позволяет избежать загрязнения пылью во время производства, что делает производство более экологичным и экологически чистым.