Rodzaje starzenia, badania starzenia i metody przeciwstarzeniowe materiałów polimerowych
01 Aktualny stan rozwoju materiałów polimerowych
Materiały polimerowe, ze względu na swoje doskonałe właściwości, takie jak lekkość, wysoka wytrzymałość, odporność na temperaturę i odporność na korozję, są obecnie szeroko stosowane w wielu dziedzinach, takich jak produkcja wysokiej klasy, informacja elektroniczna, transport, oszczędzanie energii w budynkach, przemysł lotniczy i kosmiczny przemysł obronny i wojskowy. odegrał ogromną rolę.
Jest to nie tylko ważny, podstawowy przemysł gospodarki narodowej, ale także przemysł wiodący w kraju;
Jest to nie tylko strategiczny wschodzący przemysł w przemyśle petrochemicznym, ale także ważny materiał pomocniczy dla strategicznych wschodzących gałęzi przemysłu, takich jak informacja elektroniczna, lotnictwo i kosmonautyka, obrona narodowa i nowa energia;
Ma nie tylko wysoką zawartość technologiczną i wysoką wartość dodaną, ale jest także ważnym kierunkiem transformacji i modernizacji przemysłu petrochemicznego.
Dlatego materiały polimerowe zawsze były obszarem rozwoju, do którego przywiązują dużą wagę kraje rozwinięte i międzynarodowe firmy. Zapewnia to nie tylko szeroką przestrzeń rynkową dla nowego przemysłu materiałów polimerowych, ale także stawia wyższe wymagania dotyczące jego jakości, poziomu niezawodności i możliwości wsparcia.
Dlatego coraz większą uwagę zwraca się na maksymalizację funkcji produktów z materiałów polimerowych w oparciu o zasady oszczędzania energii, niskoemisyjności i rozwoju ekologicznego. Starzenie się jest ważnym czynnikiem wpływającym na niezawodność i trwałość materiałów polimerowych.
02 Rodzaje starzenia materiałów polimerowych
Podczas przetwarzania, przechowywania i użytkowania materiałów polimerowych, na skutek łącznego działania czynników wewnętrznych i zewnętrznych, ich właściwości stopniowo ulegają pogorszeniu, aż w końcu tracą wartość użytkową. Zjawisko to należy do starzenia się materiałów polimerowych.
Powoduje to nie tylko marnowanie zasobów, ale może nawet prowadzić do większych wypadków z powodu awarii funkcjonalnej, a rozkład materiałów spowodowany starzeniem się może również zanieczyszczać środowisko.
Ze względu na różne rodzaje polimerów i różne warunki użytkowania, mają one różne zjawiska starzenia i charakterystykę. Ogólnie rzecz biorąc, starzenie się materiałów polimerowych można podzielić na cztery rodzaje zmian:
1. Zmiany w wyglądzie
Pojawienie się plam, plam, smug, pęknięć, wykwitów, kredowania, lepkości, wypaczeń, rybich oczu, zmarszczek, skurczu, przypaleń, zniekształceń optycznych i zmian w kolorze optycznym.
2. Zmiany właściwości fizycznych
Obejmuje to zmiany rozpuszczalności, pęcznienia, właściwości reologicznych, odporności na zimno, odporności na ciepło, przepuszczalności wody, przepuszczalności powietrza i innych właściwości.
3. Zmiany właściwości mechanicznych
Zmiany wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości na zginanie, wytrzymałości na ścinanie, udarności, wydłużenia względnego, relaksacji naprężeń i innych właściwości.
4. Zmiany właściwości elektrycznych
Takie jak zmiany rezystancji powierzchniowej, rezystancji objętościowej, stałej dielektrycznej, wytrzymałości na przebicie elektryczne itp.
03 Czynniki powodujące starzenie się materiałów polimerowych
1. Analiza makro
Ponieważ podczas przetwarzania i stosowania polimerów będą one podlegać połączonemu działaniu czynników środowiskowych, takich jak ciepło, tlen, woda, światło, mikroorganizmy i media chemiczne. Ich skład chemiczny i struktura ulegną szeregowi zmian, a odpowiednio zmienią się także ich właściwości fizyczne. Pogorszenie, takie jak twardość, lepkość, kruchość, odbarwienie, utrata wytrzymałości itp. Te zmiany i zjawiska nazywane są starzeniem.
2. Analiza mikroskopowa
Polimery wielkocząsteczkowe będą tworzyć cząsteczki stanu wzbudzonego pod wpływem ciepła lub światła. Kiedy energia jest wystarczająco wysoka, łańcuchy molekularne pękają, tworząc wolne rodniki. Wolne rodniki mogą tworzyć reakcje łańcuchowe wewnątrz polimeru, nadal powodować degradację i mogą powodować sieciowanie.
Jeśli w środowisku obecny jest tlen lub ozon, zostanie wywołana seria reakcji utleniania, w wyniku których powstaną wodoronadtlenki (ROOH), które będą dalej rozkładać się na grupy karbonylowe.
Jeśli w polimerze znajdują się resztkowe jony metali katalizatora lub jony metali, takich jak miedź, żelazo, mangan, kobalt itp. zostaną wprowadzone podczas przetwarzania i stosowania, reakcja degradacji oksydacyjnej polimeru zostanie przyspieszona.
04 Próba starzenia
Przy opracowywaniu lub ulepszaniu nowych materiałów, w celu sprawdzenia ich żywotności lub działania przeciwstarzeniowego, wymagane są badania starzenia. Typowe testy starzenia obejmują starzenie naturalne i starzenie przyspieszone laboratoryjnie.
1. Naturalne starzenie się
Naturalne starzenie polega na wystawieniu próbki materiału bezpośrednio na działanie środowiska naturalnego. Zwykle próbkę instaluje się na stojaku ekspozycyjnym pod pewnym kątem. Typowe kąty ekspozycji to 5 stopni, 45 stopni i 90 stopni. Odpowiednie normy badawcze obejmują ISO 877 Tworzywa sztuczne – Metody narażenia na promieniowanie słoneczne; ISO2810 Farby i lakiery – Naturalne starzenie się powłok – Narażenie i ocena; Standardowa praktyka ASTMG7 dotycząca badania narażenia środowiska atmosferycznego na materiały niemetalowe itp.
Metoda badania naturalnego starzenia jest prosta i tania, jednak jej cykl badawczy jest zbyt długi, co wpływa na postęp optymalizacji projektowania produktu. Ponadto, ponieważ jest to środowisko naturalne i warunki klimatyczne nie podlegają kontroli, dla zapewnienia powtarzalności wyników badań szczególnie ważny jest wybór miejsca badań. Stany Zjednoczone utworzyły w południowej Florydzie w 1931 r. naturalne pole klimatyczne, które jest standardowym polem narażonym na gorący i wilgotny klimat w Stanach Zjednoczonych. Miejsce testowe zlokalizowane w środkowej Arizonie jest standardowym miejscem narażonym na działanie suchego ciepła. Miejsce badań narażenia w Turpan należące do Krajowego Centrum Nadzoru i Kontroli Jakości Produktów Pojazdów Silnikowych w moim kraju jest również typowym miejscem narażenia na działanie powietrza w klimacie suchym i gorącym. Maksymalna temperatura w obszarze Turpan od maja do sierpnia przekracza 40 stopni, ekstremalna maksymalna temperatura wynosi 49,6 stopnia, a średnie roczne opady wynoszą tylko 8 mm. Pole ekspozycji w Qionghai w stanie Hainan charakteryzuje się typowymi gorącymi i wilgotnymi warunkami klimatycznymi. Średnia roczna temperatura wynosi 27,4 stopnia, a średnie roczne opady sięgają 2134 mm.
2. Przyspieszone starzenie w laboratorium
Aby przyspieszyć cykl testowy i szybciej uzyskać dane dotyczące starzenia, laboratorium zwykle wykorzystuje sztuczne źródła światła do symulacji promieniowania słonecznego, dopasowywania różnych warunków temperatury, wilgotności i deszczu itp., a także może symulować różne naturalne klimaty.
1) Wybór źródła światła
Powszechnie stosowane sztuczne źródła światła obejmują ksenonowe lampy łukowe, lampy metalohalogenkowe i lampy fluorescencyjne ultrafioletowe. Lampy fluorescencyjne UV mogą bardzo dobrze symulować światło słoneczne w zakresie średniofalowym UV i krótkofalowym UV. Ksenonowe lampy łukowe i lampy metalohalogenkowe mogą bardzo dobrze symulować światło słoneczne w pełnym spektrum. Dlatego komory badawcze wykorzystujące lampy ksenonowe i lampy metalohalogenkowe jako źródła światła mogą dobrze symulować promieniowanie słoneczne, podczas gdy komory testowe wykorzystujące fluorescencyjne lampy ultrafioletowe nie mają na celu imitowania światła słonecznego, a jedynie symulują efekt starzenia światła słonecznego. Ponadto na rynku dostępne są starzejące się skrzynki, które jako źródło światła wykorzystują lampy łukowe z włókna węglowego. Jednakże widmo łuku węglowego nie ma dobrej korelacji z widmem światła słonecznego, a stosowanie testów lampą łukową węglową wynika z powodów historycznych.
2) Znaczenie przyspieszonego starzenia
Korelacja odnosi się do stopnia zgodności między wynikami przyspieszonego starzenia w laboratorium a wynikami starzenia materiału w rzeczywistym środowisku użytkowania. Tylko wtedy, gdy odpowiedni jest test przyspieszonego starzenia, może on naprawdę odzwierciedlać odporność materiału na warunki atmosferyczne i naprawdę przewidywać żywotność materiału. Nieuzasadnione przyspieszone testowanie zmniejszy przydatność testu, a nawet straci jego znaczenie.
3) Trend rozwojowy przyspieszonego starzenia się laboratoriów
Jak wspomniano na początku, czynnikami wpływającymi na starzenie się materiałów są promieniowanie słoneczne, temperatura, woda i inne czynniki. Starzenie się materiałów jest efektem współdziałania tych czynników, nie jest jednak prostą superpozycją oddziaływania różnych czynników. Należy również wziąć pod uwagę synergię między nimi. Dlatego bardziej wszechstronna symulacja rzeczywistego środowiska użytkowania materiału może prowadzić do lepszych i trafniejszych wyników. Przykładowo, zgodnie z normą ISO 20340, badanie opiera się na cyklu 7-dniowym. Od 1. do 3. dnia przeprowadza się test UV z cyklem światła i ciemności zgodnie z normą ISO 11507. Od 4. do 6. dnia przeprowadza się test w komorze solnej zgodnie z ISO 9227. 7. dnia ({{9} } Test w niskiej temperaturze ±2) stopnia . W porównaniu z tradycyjnym testem odporności na warunki atmosferyczne uwzględnia on więcej czynników wpływających na starzenie i jest bardziej zgodny z rzeczywistymi warunkami użytkowania materiału, dzięki czemu może lepiej odzwierciedlać rzeczywiste starzenie się materiału. Wiemy, że pleśń, stężenie ozonu itp. mają istotny wpływ na starzenie się produktów z tworzyw sztucznych. Integracja większej liczby czynników starzeniowych w badaniach będzie jednym z kierunków rozwoju przyspieszonego starzenia się w laboratoriach.
05 Metody przeciwdziałania starzeniu się materiałów polimerowych
Obecnie do głównych metod poprawy i wzmocnienia właściwości przeciwstarzeniowych materiałów polimerowych należą:
1. Ochrona fizyczna (taka jak pogrubienie, malowanie, mieszanie warstwy zewnętrznej itp.)
Starzenie się materiałów polimerowych, zwłaszcza fototlenowe, rozpoczyna się najpierw od powierzchni materiału lub produktu, objawiając się przebarwieniami, pudrowaniem, pękaniem, utratą połysku itp., a następnie stopniowo przenika w głąb wnętrza. Cienkie produkty są bardziej narażone na przedwczesne uszkodzenie niż produkty grube, dlatego żywotność produktu można wydłużyć poprzez zagęszczenie produktu. W przypadku produktów podatnych na starzenie można nałożyć na powierzchnię warstwę powłoki o dobrej odporności na warunki atmosferyczne lub nałożyć warstwę materiału o dobrej odporności na warunki atmosferyczne na zewnętrzną warstwę produktu, aby przymocować warstwę ochronną do powierzchni produktu. produkt. Spowolnij proces starzenia.
2. Ulepsz technologię przetwarzania
Wiele materiałów ma również problemy ze starzeniem się podczas procesu syntezy lub przygotowania. Na przykład wpływ ciepła podczas polimeryzacji, termiczne starzenie tlenem podczas przetwarzania itp. Odpowiednio wpływ tlenu można złagodzić poprzez dodanie urządzenia do usuwania tlenu lub urządzenia próżniowego podczas polimeryzacji lub przetwarzania. Jednakże metoda ta może zagwarantować wydajność materiału jedynie po opuszczeniu fabryki, a metodę tę można wdrożyć jedynie na podstawie przygotowania materiału i nie może rozwiązać problemu starzenia się podczas jego ponownego przetwarzania i użytkowania.
3. Projektowanie konstrukcyjne lub modyfikacja materiałów polimerowych
Wiele materiałów polimerowych zawiera grupy, które są bardzo podatne na starzenie się w swojej strukturze molekularnej. Dlatego też, poprzez zaprojektowanie struktury molekularnej materiału, zastąpienie grup podatnych na starzenie się grupami, które nie są podatne na starzenie, często pozwala osiągnąć dobre wyniki. Lub grupy funkcyjne lub struktury o działaniu przeciwstarzeniowym można wprowadzić do łańcucha polimeru poprzez szczepienie lub kopolimeryzację, nadając samemu materiałowi doskonałe funkcje przeciwstarzeniowe. Jest to również metoda często stosowana przez badaczy, jednak jej koszt jest stosunkowo wysoki. Na razie nie można osiągnąć wysokiej produkcji i zastosowania na dużą skalę.
4. Dodaj dodatki przeciwstarzeniowe
Obecnie skutecznym i powszechnym sposobem poprawy odporności materiałów polimerowych na starzenie jest dodawanie dodatków przeciwstarzeniowych, które są szeroko stosowane ze względu na ich niski koszt i brak zmian w istniejących procesach produkcyjnych. Istnieją dwa główne sposoby dodawania tych dodatków przeciwstarzeniowych:
Metoda bezpośredniego dodawania dodatków: to znaczy dodatek przeciwstarzeniowy (w proszku lub w płynie) jest bezpośrednio mieszany i mieszany z surowcami takimi jak żywica, a następnie wytłaczany w celu granulacji lub formowania wtryskowego itp. Ponieważ ta metoda dodawania jest prosta i łatwa do wdrożenia, jest szeroko stosowany w większości fabryk granulacji i formowania wtryskowego.
Metoda dodawania przedmieszki przeciwstarzeniowego: Producenci o wyższych wymaganiach co do jakości produktu i stabilności jakości coraz częściej stosują metodę dodawania przedmieszki przeciwstarzeniowego podczas produkcji. Przedmieszkę przeciwstarzeniową uzyskuje się stosując odpowiednią żywicę jako nośnik, zmieszaną z różnymi skutecznymi dodatkami przeciwstarzeniowymi, a następnie współwytłaczaną i granulowaną za pomocą wytłaczarki dwuślimakowej. Zaletą jego zastosowania jest zastosowanie w procesie przygotowania przedmieszki dodatków przeciwstarzeniowych. Po pierwsze, osiąga się wstępną dyspersję, a następnie w późniejszym procesie przetwarzania materiału dodatki przeciwstarzeniowe są dyspergowane wtórnie, osiągając cel równomiernego rozproszenia dodatków w matrycy materiału polimerowego, co nie tylko zapewnia stabilność jakości produktu, ale także pozwala uniknąć zanieczyszczenia pyłem podczas produkcji, dzięki czemu produkcja jest bardziej ekologiczna i przyjazna dla środowiska.