Wewnętrzne i zewnętrzne czynniki starzenia gumowych materiałów polimerowych

Starzenie się materiałów gumowo-polimerowych jest zwykle nierozerwalnie związane z komorą testową starzenia. Thekomora do badania starzenia ozonowegojest niezbędnym sprzętem do testowania materiałów gumowych. Komora testowa starzenia ozonowego może wykryć niezawodność wyrobów gumowych, wykryć ich wady, a następnie poprawić i zwiększyć konkurencyjność produktów, pomagając w ten sposób firmom kontrolować koszty i zwiększać zyski.

BOTO to producent specjalizujący się w produkcji sprzętu do badań środowiskowych posiadający ponad 20-letnie doświadczenie w branży.Seria komór do testowania temperatury i wilgotności, seria komór do testów starzenia, mechaniczna maszyna do testowania środowiskai inne serie komór testowych to nasze korzystne produkty. Jeśli masz jakiekolwiek potrzeby, skontaktuj się z nami na czas.

Materiały polimerowe obejmują tworzywa sztuczne, gumę, włókno, folię, klej i powłokę. Ze względu na ich wiele potencjalnych właściwości przewyższających tradycyjne materiały konstrukcyjne, są one coraz częściej stosowane w dziedzinach wojskowych i cywilnych. Materiały polimerowe są lekkie, mają dużą wytrzymałość, dobrą odporność na korozję i mają dobre właściwości ochronne. Są szeroko stosowane w lotnictwie, samochodach, statkach, infrastrukturze, produktach wojskowych i innych dziedzinach.

Jednakże podczas przetwarzania, przechowywania i użytkowania, na skutek połączonego działania czynników wewnętrznych i zewnętrznych, takich jak światło, ciepło, tlen, woda, promieniowanie wysokoenergetyczne, erozja chemiczna i biologiczna, skład chemiczny i struktura materiałów polimerowych ulegną zmianie. serii zmian, a wraz z nimi ulegną pogorszeniu właściwości fizyczne, takie jak twardnienie, lepkość, kruchość, odbarwienie, utrata wytrzymałości itp. Zjawisko to nazywane jest starzeniem się materiałów polimerowych. Istota starzenia materiału polimerowego odnosi się do zmian w strukturze fizycznej lub chemicznej, które objawiają się stopniowym pogarszaniem się właściwości użytkowych materiału i utratą jego wartości użytkowej.

Starzenie się i awaria materiałów polimerowych stała się jednym z kluczowych problemów ograniczających dalszy rozwój i zastosowanie materiałów polimerowych.

Zjawisko starzenia
Ze względu na różne odmiany polimerów i różne warunki użytkowania, występują różne zjawiska i cechy starzenia. Na przykład rolnicza folia z tworzywa sztucznego zmienia kolor, staje się krucha i traci przezroczystość po wystawieniu na działanie słońca i deszczu; plexi lotnicze przy długotrwałym użytkowaniu tworzą srebrne smugi i zmniejszają przezroczystość; wyroby gumowe tracą elastyczność, twardnieją, pękają lub stają się miękkie i lepkie po długotrwałym użytkowaniu; farba traci połysk, pudruje, bąbelkuje i łuszczy się po długotrwałym użytkowaniu. Zjawisko starzenia można podsumować w postaci czterech następujących zmian:

1. Zmiany w wyglądzie
Plamy, plamy, srebrne smugi, pęknięcia, szron, pudrowanie, lepkość, wypaczenia, rybie oczka, zmarszczki, skurcz, przypalenia, zniekształcenia optyczne i zmiany koloru optycznego.

2. Zmiany właściwości fizycznych
Obejmuje to zmiany rozpuszczalności, pęcznienia, właściwości reologicznych i odporności na zimno, odporności na ciepło, przepuszczalności wody i przepuszczalności powietrza.

3. Zmiany właściwości mechanicznych
Zmiany właściwości, takich jak wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość na ścinanie, udarność, wydłużenie względne i relaksacja naprężeń.

4. Zmiany właściwości elektrycznych
Takie jak zmiany rezystancji powierzchniowej, rezystancji objętościowej, stałej dielektrycznej i wytrzymałości na przebicie elektryczne.

Czynniki starzenia
Właściwości fizyczne materiałów polimerowych są ściśle powiązane z ich strukturą chemiczną i strukturą agregatów. Struktura chemiczna to długołańcuchowa struktura makrocząsteczek połączonych wiązaniami kowalencyjnymi, a struktura agregatowa to struktura przestrzenna, w której wiele makrocząsteczek jest ułożonych i ułożonych w stosy za pomocą sił molekularnych, takich jak krystaliczna, amorficzna i krystaliczno-amorficzna.

Siły międzycząsteczkowe utrzymujące strukturę agregatu obejmują siły wiązań jonowych, siły wiązań metalicznych, siły wiązań kowalencyjnych i siły van der Waalsa. Czynniki środowiskowe mogą powodować zmiany sił międzycząsteczkowych, a nawet zerwanie łańcucha lub oddzielenie pewnych grup, co ostatecznie zniszczy agregatową strukturę materiału i zmieni jego właściwości fizyczne. Zwykle na starzenie się materiałów polimerowych wpływają dwa czynniki: czynniki wewnętrzne i czynniki zewnętrzne.

Czynniki wewnętrzne

1. Struktura chemiczna polimerów
Starzenie się polimerów jest ściśle związane z ich własną budową chemiczną. Na słabe wiązania struktury chemicznej łatwo wpływają czynniki zewnętrzne i pękają, tworząc wolne rodniki. Ten wolny rodnik jest punktem wyjścia do inicjowania reakcji wolnorodnikowych.

2. Forma fizyczna
Niektóre wiązania molekularne polimerów są uporządkowane, inne zaś nieuporządkowane. Uporządkowane wiązania molekularne mogą tworzyć obszary krystaliczne, a nieuporządkowane wiązania molekularne są obszarami amorficznymi. Morfologia wielu polimerów nie jest jednolita, ale półkrystaliczna, z obszarami zarówno krystalicznymi, jak i amorficznymi. Reakcja starzenia rozpoczyna się od obszaru amorficznego.

3. Regularność stereoskopowa
Stereoskopowa regularność polimeru jest ściśle związana z jego krystalicznością. Ogólnie rzecz biorąc, zwykłe polimery mają lepszą odporność na starzenie niż polimery losowe.

4. Masa cząsteczkowa i jej ogólny rozkład
Masa cząsteczkowa polimeru ma niewiele wspólnego ze starzeniem się, ale rozkład masy cząsteczkowej ma ogromny wpływ na odporność polimeru na starzenie. Im szerszy rozkład, tym łatwiej się starzeć, bo im szerszy rozkład, tym więcej grup końcowych i tym łatwiej wywołać reakcje starzeniowe.

5. Śledź zanieczyszczenia metalami i inne zanieczyszczenia
Kiedy polimery są przetwarzane, wchodzą w kontakt z metalami i mogą zostać domieszane metale śladowe lub podczas polimeryzacji mogą pozostać pewne katalizatory metaliczne, co będzie miało wpływ na rozpoczęcie autoutleniania (tj. starzenia).

Czynniki zewnętrzne
1. Wpływ temperatury
Wraz ze wzrostem temperatury ruch łańcuchów polimerowych nasila się. Po przekroczeniu energii dysocjacji wiązań chemicznych nastąpi degradacja termiczna łańcuchów polimerowych lub zrzucanie grup. Obecnie istnieje wiele doniesień literaturowych na temat degradacji termicznej materiałów polimerowych; spadek temperatury często wpływa na właściwości mechaniczne materiału. Krytyczne punkty temperatury ściśle związane z właściwościami mechanicznymi obejmują temperaturę zeszklenia T, temperaturę płynięcia lepkiego Tf i temperaturę topnienia Tm. Stan fizyczny materiału można podzielić na stan szklisty, stan wysokiej elastyczności i stan lepkiego płynięcia.

2. Wpływ wilgoci
Wpływ wilgoci na materiały polimerowe można przypisać pęcznieniu i rozpuszczaniu wody w materiale, co zmienia siły międzycząsteczkowe utrzymujące agregatową strukturę materiału polimerowego, niszcząc w ten sposób stan skupienia materiału. Szczególnie w przypadku nieusieciowanych polimerów amorficznych wpływ wilgoci jest niezwykle oczywisty, co powoduje pęcznienie lub nawet rozpad materiału polimerowego w stanie skupionym, pogarszając w ten sposób właściwości materiału; w przypadku tworzyw krystalicznych lub włókien, ze względu na ograniczenia przenikania wody, wpływ wilgoci nie jest zbyt oczywisty.

3. Wpływ tlenu
Tlen jest główną przyczyną starzenia się materiałów polimerowych. Ze względu na przepuszczalność tlenu polimery krystaliczne są bardziej odporne na utlenianie niż polimery amorficzne. Tlen najpierw atakuje słabe ogniwa głównego łańcucha polimerów, takie jak wiązania podwójne, grupy hydroksylowe, grupy wodorowe lub atomy na trzeciorzędowych atomach węgla, tworząc polimerowe rodniki nadtlenkowe lub nadtlenki, a następnie powoduje zerwanie głównego łańcucha w tej pozycji. W ciężkich przypadkach masa cząsteczkowa polimeru znacznie spada, temperatura zeszklenia spada, a polimer staje się lepki. W obecności niektórych inicjatorów lub pierwiastków metali przejściowych, które łatwo rozkładają się na wolne rodniki, występuje tendencja do intensyfikacji reakcji utleniania.

4. Fotostarzenie
To, czy polimer zostanie wystawiony na działanie światła i spowoduje pęknięcie łańcucha molekularnego, zależy od względnej wielkości energii świetlnej i energii dysocjacji oraz wrażliwości struktury chemicznej polimeru na fale świetlne. Ze względu na obecność warstwy ozonowej i atmosfery na powierzchni Ziemi zakres długości fal światła słonecznego, które może dotrzeć do ziemi, mieści się w przedziale od 290 nm do 4300 nm. Tylko fale świetlne w obszarze ultrafioletu mają energię fal świetlnych większą niż energia dysocjacji wiązań chemicznych, co spowoduje zerwanie wiązań chemicznych polimerów.

Na przykład długości fal ultrafioletowych od 300 nm do 400 nm mogą być absorbowane przez polimery zawierające grupy karbonylowe i wiązania podwójne, powodując pękanie łańcuchów makrocząsteczkowych, zmianę struktury chemicznej i pogorszenie właściwości materiału; politereftalan etylenu charakteryzuje się silną absorpcją promieni ultrafioletowych 280 nm, a produktami degradacji są głównie CO, H i CH; poliolefiny zawierające tylko wiązania CC nie pochłaniają promieni ultrafioletowych, ale w obecności niewielkiej ilości zanieczyszczeń, takich jak grupy karbonylowe, wiązania nienasycone, grupy wodoronadtlenkowe, pozostałości katalizatora, węglowodory aromatyczne i pierwiastki metali przejściowych, mogą sprzyjać fotoutlenianiu reakcja poliolefin.

5. Wpływ mediów chemicznych
Media chemiczne mogą odegrać rolę tylko wtedy, gdy przedostaną się do wnętrza materiałów polimerowych. Efekty te obejmują wiązania kowalencyjne i wiązania wtórne. Efekt wiązań kowalencyjnych objawia się rozerwaniem łańcucha, sieciowaniem, addycją lub kombinacją tych efektów łańcuchów polimerowych. Jest to nieodwracalny proces chemiczny; chociaż zniszczenie wiązań wtórnych przez media chemiczne nie powoduje zmian w strukturze chemicznej, to jednak zmieni się struktura agregatowa materiału, powodując odpowiednie zmiany jego właściwości fizycznych.

Zmiany fizyczne, takie jak pękanie naprężeniowe w środowisku, pękanie rozpuszczające i plastyfikacja, są typowymi objawami starzenia materiałów polimerowych w środowisku chemicznym.

Sposobem na wyeliminowanie pęknięć rozpuszczalnych jest wyeliminowanie naprężeń wewnętrznych materiału. Wyżarzanie po uformowaniu materiału sprzyja eliminacji naprężeń wewnętrznych materiału. Plastyfikacja ma miejsce, gdy ciekły ośrodek znajduje się w ciągłym kontakcie z materiałem polimerowym. Oddziaływanie polimeru z ośrodkiem drobnocząsteczkowym częściowo zastępuje oddziaływanie pomiędzy polimerami, dzięki czemu segmenty łańcucha polimeru łatwiej się przemieszczają, co objawia się obniżeniem temperatury zeszklenia, spadkiem wytrzymałości, twardości i modułu sprężystości materiału i wzrost wydłużenia przy zerwaniu.

6. Starzenie się biologiczne
Ponieważ prawie wszystkie produkty z tworzyw sztucznych wykorzystują w procesie przetwarzania różnorodne dodatki, często stają się źródłem pożywienia dla pleśni. Kiedy pleśń rośnie, pochłania składniki odżywcze na powierzchni i wewnątrz plastiku i staje się grzybnią, która jest również przewodnikiem, zmniejszając w ten sposób izolację plastiku, zmieniając jego wagę, a w ciężkich przypadkach łuszcząc się. Metabolity rozwoju pleśni zawierają kwasy organiczne i toksyny, które powodują, że powierzchnia plastiku staje się lepka, odbarwia się, łamliwa i zmniejsza gładkość, a także powodują choroby u osób mających długotrwały kontakt z takim spleśniałym tworzywem sztucznym.
Naturalne polimery polisacharydowe i ich modyfikowane związki można przetwarzać na degradowalne jednorazowe folie, arkusze, pojemniki, produkty piankowe itp. poprzez mieszanie i modyfikację zwykłymi tworzywami sztucznymi. Ich odpady można stopniowo hydrolizować do związków drobnocząsteczkowych pod wpływem enzymów rozkładających naturalne polimery polisacharydowe, takich jak amylaza, które są powszechnie obecne w środowisku naturalnym, i ostatecznie rozkładają się na wolny od zanieczyszczeń dwutlenek węgla i wodę, powracając do biosfery. W oparciu o te zalety, naturalne związki polimerowe polisacharydowe reprezentowane przez skrobię są nadal ważnym składnikiem degradowalnych tworzyw sztucznych.

GRUPA BOTO SP. jest profesjonalnym producentem różnego rodzaju urządzeń testujących od ponad 20 lat.

Jeśli masz jakieś pytania, zapraszamy do naszej fabryki w celu uzyskania wskazówek!