Видове стареене, тестове за стареене и методи против стареене на полимерни материали
01 Съвременно състояние на развитието на полимерните материали
Полимерните материали, поради техните отлични свойства като леко тегло, висока якост, температурна устойчивост и устойчивост на корозия, сега се използват широко в много области като производство от висок клас, електронна информация, транспорт, енергоспестяване на сгради, аерокосмическа и национална отбранителна и военна индустрия. изигра огромна роля.
Това е не само важна основна индустрия на националната икономика, но и водеща индустрия на страната;
Това е не само стратегическа нововъзникваща индустрия в нефтохимическата промишленост, но и важен поддържащ материал за стратегически нововъзникващи индустрии като електронна информация, аерокосмическа индустрия, национална отбрана и нова енергия;
Той не само има високо технологично съдържание и висока добавена стойност, но също така е важно направление за трансформация и модернизиране на нефтохимическата индустрия.
Следователно полимерните материали винаги са били област на развитие, на която развитите страни и мултинационалните компании отдават голямо значение. Това не само осигурява широко пазарно пространство за индустрията на новите полимерни материали, но също така поставя по-високи изисквания за нейното качествено представяне, ниво на надеждност и възможности за поддръжка.
Следователно, как да се максимизират функциите на продуктите от полимерни материали, базирани на принципите на енергоспестяване, ниски въглеродни емисии и екологично развитие, привлича все повече внимание. Стареенето е важен фактор, влияещ върху надеждността и дълготрайността на полимерните материали.
02 Видове стареене на полимерни материали
По време на обработката, съхранението и използването на полимерни материали, поради комбинираното въздействие на вътрешни и външни фактори, техните свойства постепенно се влошават и в крайна сметка губят своята използваема стойност. Това явление принадлежи към стареенето на полимерните материали.
Това не само причинява загуба на ресурси, но дори може да доведе до по-големи аварии поради функционална повреда, а разлагането на материалите, причинено от стареенето, може също да замърси околната среда.
Поради различните видове полимери и различните условия на употреба, те имат различни явления и характеристики на стареене. Като цяло стареенето на полимерните материали може да се класифицира в следните четири вида промени:
1. Промени във външния вид
Появата на петна, петна, ивици, пукнатини, цъфтеж, тебешир, лепкавост, изкривяване, рибешки очи, бръчки, свиване, изгаряне, оптично изкривяване и промени в оптичния цвят.
2. Промени във физичните свойства
Включително промени в разтворимостта, набъбването, реологичните свойства, студоустойчивостта, топлоустойчивостта, водопропускливостта, пропускливостта на въздуха и други свойства.
3. Промени в механичните свойства
Промени в якостта на опън, якостта на огъване, якостта на срязване, якостта на удар, относителното удължение, релаксацията на напрежението и други свойства.
4. Промени в електрическите свойства
Като промени в повърхностното съпротивление, обемното съпротивление, диелектричната константа, якостта на електрически пробив и др.
03 Фактори, предизвикващи стареене на полимерни материали
1. Макро анализ
Тъй като по време на обработката и използването на полимери, те ще бъдат подложени на комбинираното въздействие на фактори на околната среда като топлина, кислород, вода, светлина, микроорганизми и химически среди. Техният химичен състав и структура ще претърпят поредица от промени и техните физични свойства също ще се променят съответно. Влошаване, като твърдост, лепкавост, чупливост, обезцветяване, загуба на якост и др. Тези промени и явления се наричат стареене.
2. Микроскопски анализ
Високомолекулните полимери ще образуват молекули във възбудено състояние под действието на топлина или светлина. Когато енергията е достатъчно висока, молекулярните вериги ще се разкъсат, за да образуват свободни радикали. Свободните радикали могат да образуват верижни реакции вътре в полимера, да продължат да причиняват разграждане и могат да причинят омрежване.
Ако в околната среда има кислород или озон, серия от окислителни реакции ще бъдат предизвикани за образуване на хидропероксиди (ROOH), които допълнително ще се разложат на карбонилни групи.
Ако има остатъчни метални йони на катализатора в полимера или метални йони като мед, желязо, манган, кобалт и др. са въведени по време на обработката и употребата, реакцията на окислително разграждане на полимера ще се ускори.
04 Тест за стареене
При разработването или усъвършенстването на нови материали, за да се провери техният експлоатационен живот или ефект против стареене, се изисква тестване за стареене. Общите тестове за стареене включват естествено стареене и лабораторно ускорено стареене.
1.Естествено стареене
Естественото стареене означава излагане на материалната проба директно на естествената среда. Обикновено пробата се монтира върху стелажа за експониране под определен ъгъл. Обичайните ъгли на експозиция са 5 градуса, 45 градуса и 90 градуса. Съответните стандарти за изпитване включват ISO 877 Пластмаси - Методи за излагане на слънчева радиация; ISO2810 Бои и лакове - Естествено изветряне на покрития - Експозиция и оценка; ASTMG7 Стандартна практика за изпитване на излагане на неметални материали в атмосферна среда и др.
Методът за изпитване на естествено стареене е прост и евтин, но неговият тестов цикъл е твърде дълъг, което се отразява на прогреса на оптимизиране на дизайна на продукта. Освен това, тъй като това е естествена среда и климатичните условия не могат да бъдат контролирани, за да се гарантира възпроизводимостта на резултатите от теста, изборът на място за тестване е особено важен. Съединените щати създадоха естествено климатично поле в Южна Флорида през 1931 г., което е стандартно поле на излагане на горещ и влажен климат в Съединените щати. Тестовото място, установено в централна Аризона, е стандартно място за излагане на суха топлина. Мястото за изпитване на експозиция Turpan на Националния център за надзор и инспекция на качеството на продуктите на моторните превозни средства на моята страна също е типично място за излагане на сух и горещ климат. Максималната температура в района на Турпан от май до август е над 40 градуса, екстремната максимална температура е 49,6 градуса, а средните годишни валежи са само 8 mm. Полето на експозиция в Qionghai, Хайнан има типични горещи и влажни климатични условия. Средната годишна температура е 27,4 градуса, а средните годишни валежи достигат 2134 mm.
2. Ускорено стареене в лаборатория
За да се ускори тестовият цикъл и да се получат по-бързо данни за стареенето, лабораторията обикновено използва изкуствени източници на светлина, за да симулира слънчева радиация, да съпостави различни условия на температура, влажност и дъжд и т.н. и може да симулира различни естествени климатични условия.
1) Избор на източник на светлина
Често използваните източници на изкуствена светлина включват ксенонови дъгови лампи, металхалогенни лампи и ултравиолетови флуоресцентни лампи. UV флуоресцентните лампи могат много добре да симулират слънчева светлина в средновълновия UV и късовълнов UV диапазон. Ксенонови дъгови лампи и металхалогенни лампи могат много добре да симулират слънчевата светлина в пълния спектър. Следователно камерите за изпитване, които използват ксенонови лампи и металхалогенни лампи като източници на светлина, могат добре да симулират слънчевата светлина, докато камерите за стареене, които използват флуоресцентни ултравиолетови лампи, не са предназначени да имитират слънчева светлина, а само да симулират ефекта на стареене на слънчевата светлина. Освен това на пазара има кутии за стареене, които използват въглеродни дъгови лампи като източник на светлина. Въпреки това, спектърът на въглеродната дъга няма добра корелация със спектъра на слънчевата светлина и използването на тестване с въглеродна дъгова лампа е по исторически причини.
2) Уместност на ускореното стареене
Корелацията се отнася до степента на съгласуваност между резултатите от ускореното стареене в лабораторията и резултатите от стареенето на материала в действителната среда на употреба. Само когато тестът за ускорено стареене е уместен, той може наистина да отрази устойчивостта на материала на атмосферни влияния и наистина да предвиди експлоатационния живот на материала. Необоснованото ускорено тестване ще намали уместността на теста и дори ще загуби смисъла му.
3) Тенденцията на развитие на ускореното стареене в лабораториите
Както бе споменато в началото, факторите, влияещи върху стареенето на материала, включват слънчева радиация, температура, вода и други фактори. Стареенето на материалите е резултат от съвместното действие на тези фактори, но не е просто наслагване на въздействието на различни фактори. Синергията между тях също трябва да се вземе предвид. Следователно по-всеобхватна симулация на действителната среда на използване на материала може да доведе до по-добри резултати. Например, според стандарта ISO 20340, тестът се основава на цикъл от 7 дни. На 1-ви до 3-ти ден се извършва UV тест с цикъл на светло и тъмно съгласно ISO 11507. На 4-ти до 6-ти ден се извършва тест със солен спрей съгласно ISO 9227. На 7-ия ден ({{9} } Тест при ниска температура от ±2) градуса. В сравнение с традиционния тест за устойчивост на атмосферни влияния, той включва повече фактори, влияещи върху стареенето, и е в по-голямо съответствие с действителните условия на употреба на материала, така че може да отразява по-добре действителното стареене на материала. Знаем, че мухълът, концентрацията на озон и т.н. имат важно влияние върху стареенето на пластмасовите продукти. Как да се интегрират повече фактори на стареене в тестването ще бъде една от посоките на развитие на ускореното стареене в лабораториите.
05 Методи за антистареене на полимерни материали
Понастоящем основните методи за подобряване и подобряване на свойствата против стареене на полимерните материали включват следното:
1. Физическа защита (като удебеляване, боядисване, смесване на външен слой и др.)
Стареенето на полимерните материали, особено фотокислородното стареене, първо започва от повърхността на материала или продукта, проявявайки се като обезцветяване, разпрашаване, напукване, загуба на гланц и т.н., и след това постепенно прониква по-дълбоко във вътрешността. Тънките продукти са по-склонни да се повредят преждевременно, отколкото дебелите продукти, така че експлоатационният живот на продукта може да бъде удължен чрез удебеляване на продукта. За продукти, които са склонни към стареене, можете да нанесете слой покритие с добра устойчивост на атмосферни влияния върху повърхността или да смесите слой от материал с добра устойчивост на атмосферни влияния върху външния слой на продукта, за да прикрепите защитен слой към повърхността на продукт. Забавете процеса на стареене.
2. Подобряване на технологията на обработка
Много материали също имат проблеми със стареенето по време на процеса на синтез или подготовка. Например влиянието на топлината по време на полимеризацията, термичното кислородно стареене по време на обработката и т.н. Съответно въздействието на кислорода може да бъде смекчено чрез добавяне на устройство за отстраняване на кислород или вакуумно устройство по време на полимеризация или обработка. Въпреки това, този метод може да гарантира само работата на материала, когато той напусне фабриката, и този метод може да бъде приложен само от източника на подготовка на материала и не може да реши проблема със стареенето по време на неговата повторна обработка и употреба.
3. Структурен дизайн или модификация на полимерни материали
Много полимерни материали съдържат групи, които са много податливи на стареене в тяхната молекулярна структура. Следователно, чрез дизайна на молекулярната структура на материала, замяната на групите, които са склонни към стареене, с групи, които не са склонни към стареене, често може да постигне добри резултати. Или функционални групи или структури с ефекти против стареене могат да бъдат въведени в полимерната верига чрез присаждане или съполимеризация, придавайки на самия материал отлични функции против стареене. Това също е метод, често използван от изследователите, но цената е сравнително висока. Засега не може да се постигне високо мащабно производство и приложение.
4. Добавете добавки против стареене
Понастоящем ефективен и общ начин за подобряване на устойчивостта на стареене на полимерните материали е добавянето на добавки против стареене, които се използват широко поради ниската им цена и липсата на промени в съществуващите производствени процеси. Има два основни начина за добавяне на тези добавки против стареене:
Метод на директно добавяне на добавки: т.е. добавката против стареене (прах или течност) се смесва директно и се разбърква със суровини като смола и след това се екструдира за гранулиране или леене под налягане и т.н. Тъй като този метод на добавяне е прост и лесен за изпълнение, той се използва широко от повечето фабрики за пелетизиране и леене под налягане.
Метод за добавяне на мастербач против стареене: Производителите с по-високи изисквания за качество на продукта и стабилност на качеството по-често използват метода за добавяне на мастербач против стареене по време на производството. Мастербачът против стареене се получава чрез използване на подходяща смола като носител, смесена с различни ефективни добавки против стареене и след това коекструдирана и гранулирана от двушнеков екструдер. Предимството на приложението му е в използването на добавки против стареене в процеса на приготвяне на мастербач. Първо се постига предварителна дисперсия, а след това в по-късния процес на обработка на материала, добавките против стареене се диспергират вторично, постигайки целта за равномерно диспергиране на добавките в матрицата на полимерния материал, което не само гарантира стабилността на качеството на продукт, но също така избягва замърсяването с прах по време на производството, което прави производството по-зелено и екологично.