Vrste starenja, testovi starenja i metode protiv starenja polimernih materijala
01 Trenutni status razvoja polimernih materijala
Polimerni materijali, zbog svojih odličnih svojstava kao što su mala težina, visoka čvrstoća, otpornost na temperaturu i otpornost na koroziju, danas se široko koriste u mnogim poljima kao što su vrhunska proizvodnja, elektronske informacije, transport, očuvanje energije u zgradama, vazduhoplovstvo i nacionalni odbrambene i vojne industrije. odigrao ogromnu ulogu.
To nije samo važna osnovna industrija nacionalne ekonomije, već i vodeća industrija zemlje;
To nije samo strateška industrija u nastajanju u petrohemijskoj industriji, već i važan prateći materijal za strateške industrije u nastajanju kao što su elektronske informacije, vazduhoplovstvo, nacionalna odbrana i nova energija;
Ne samo da ima visok tehnološki sadržaj i visoku dodanu vrijednost, već je i važan pravac za transformaciju i unapređenje petrohemijske industrije.
Stoga su polimerni materijali oduvijek bili razvojna oblast kojoj razvijene zemlje i multinacionalne kompanije pridaju veliki značaj. Ovo ne samo da pruža širok tržišni prostor za industriju novih polimernih materijala, već i postavlja veće zahtjeve za kvalitetne performanse, nivo pouzdanosti i mogućnosti podrške.
Stoga sve više pažnje privlači kako maksimizirati funkcije proizvoda od polimernih materijala zasnovanih na principima očuvanja energije, niskog ugljika i ekološkog razvoja. Starenje je važan faktor koji utiče na pouzdanost i trajnost polimernih materijala.
02 Vrste starenja polimernih materijala
Tokom prerade, skladištenja i upotrebe polimernih materijala, usled kombinovanog dejstva unutrašnjih i spoljašnjih faktora, njihova svojstva se postepeno pogoršavaju i vremenom gube upotrebnu vrednost. Ovaj fenomen pripada starenju polimernih materijala.
Ovo ne samo da uzrokuje rasipanje resursa, već može dovesti i do većih nezgoda zbog funkcionalnog kvara, a raspadanje materijala uzrokovano starenjem također može zagaditi okoliš.
Zbog različitih vrsta polimera i različitih uslova upotrebe, imaju različite pojave i karakteristike starenja. Općenito, starenje polimernih materijala može se klasificirati u sljedeće četiri vrste promjena:
1. Promjene u izgledu
Pojava mrlja, mrlja, pruga, pukotina, cvjetanja, krede, ljepljivosti, savijanja, ribljih očiju, bora, skupljanja, pečenja, optičkog izobličenja i promjene optičke boje.
2. Promjene fizičkih svojstava
Uključujući promjene u rastvorljivosti, bubrenju, reološkim svojstvima, otpornosti na hladnoću, otpornosti na toplinu, vodopropusnosti, propusnosti zraka i drugim svojstvima.
3. Promjene mehaničkih svojstava
Promjene vlačne čvrstoće, čvrstoće na savijanje, posmične čvrstoće, udarne čvrstoće, relativnog izduženja, opuštanja naprezanja i drugih svojstava.
4. Promjene električnih svojstava
Kao što su promjene u površinskom otporu, otporu volumena, dielektričnoj konstanti, čvrstoći električnog proboja, itd.
03 Faktori koji uzrokuju starenje polimernih materijala
1. Makro analiza
Zato što će tokom obrade i upotrebe polimera biti podložni kombinovanom dejstvu faktora okoline kao što su toplota, kiseonik, voda, svetlost, mikroorganizmi i hemijski mediji. Njihov hemijski sastav i struktura će doživjeti niz promjena, a u skladu s tim će se promijeniti i njihova fizička svojstva. Pogoršanje, kao što su tvrdoća, ljepljivost, lomljivost, promjena boje, gubitak čvrstoće, itd. Ove promjene i pojave nazivaju se starenjem.
2. Mikroskopska analiza
Visokomolekularni polimeri će formirati molekule pobuđenog stanja pod dejstvom toplote ili svetlosti. Kada je energija dovoljno visoka, molekularni lanci će se prekinuti i formirati slobodne radikale. Slobodni radikali mogu formirati lančane reakcije unutar polimera, nastaviti da izazivaju degradaciju i mogu uzrokovati umrežavanje.
Ako je kisik ili ozon prisutan u okolišu, potaknut će se niz oksidacijskih reakcija kako bi se formirali hidroperoksidi (ROOH), koji će se dalje razgraditi na karbonilne grupe.
Ako u polimeru ima zaostalih metalnih jona katalizatora ili metalnih jona kao što su bakar, gvožđe, mangan, kobalt itd. se uvedu tokom obrade i upotrebe, reakcija oksidativne degradacije polimera će se ubrzati.
04 Test starenja
U razvoju ili poboljšanju novih materijala, kako bi se provjerio njihov vijek trajanja ili učinak protiv starenja, potrebno je testiranje na starenje. Uobičajeni testovi starenja uključuju prirodno starenje i laboratorijsko ubrzano starenje.
1. Prirodno starenje
Prirodno starenje je izlaganje uzorka materijala direktno prirodnom okruženju. Obično se uzorak postavlja na stalak za ekspoziciju pod određenim uglom. Uobičajeni uglovi ekspozicije su 5 stepeni, 45 stepeni i 90 stepeni. Relevantni standardi ispitivanja uključuju ISO 877 Plastika - Metode izlaganja sunčevom zračenju; ISO2810 Boje i lakovi - Prirodno trošenje premaza - Izlaganje i procjena; ASTMG7 Standardna praksa za ispitivanje nemetalnih materijala izloženosti atmosferskom okruženju, itd.
Metoda ispitivanja prirodnog starenja je jednostavna i jeftina, ali njen ciklus ispitivanja je predug, što utiče na napredak optimizacije dizajna proizvoda. Štoviše, budući da je to prirodno okruženje i da se klimatski uvjeti ne mogu kontrolisati, kako bi se osigurala ponovljivost rezultata ispitivanja, odabir mjesta ispitivanja je posebno važan. Sjedinjene Američke Države su 1931. godine uspostavile prirodno klimatsko polje u Južnoj Floridi, što je standardno polje izloženosti vrućoj i vlažnoj klimi u Sjedinjenim Državama. Testno mjesto uspostavljeno u centralnoj Arizoni je standardno mjesto izloženosti suhoj toplini. Testna lokacija Turpan u Nacionalnom centru za nadzor i inspekciju kvaliteta proizvoda za motorna vozila moje zemlje je takođe tipična lokacija za izloženost suvoj i vrućoj klimi. Maksimalna temperatura u oblasti Turpan od maja do avgusta je iznad 40 stepeni, ekstremna maksimalna temperatura je 49,6 stepeni, a prosečna godišnja količina padavina je samo 8 mm. Polje izloženosti u Qionghai, Hainan ima tipične vruće i vlažne klimatske uslove. Prosječna godišnja temperatura iznosi 27,4 stepena, a prosječna godišnja količina padavina čak 2134 mm.
2. Ubrzano starenje u laboratoriji
Kako bi se ubrzao ciklus testiranja i brže dobili podaci o starenju, laboratorij obično koristi umjetne izvore svjetlosti da simulira sunčevo zračenje, uskladi različite temperature, vlažnost i uslove kiše, itd., i može simulirati različite prirodne klime.
1) Izbor izvora svjetlosti
Uobičajeni izvori umjetnog svjetla uključuju ksenonske lučne lampe, metal-halogene sijalice i ultraljubičaste fluorescentne sijalice. UV fluorescentne lampe mogu vrlo dobro simulirati sunčevu svjetlost u srednjetalasnom UV i kratkotalasnom UV opsegu. Ksenonske lučne lampe i metal-halogene lampe mogu vrlo dobro simulirati sunčevu svjetlost u punom spektru. Stoga, ispitne komore koje koriste ksenonske i metal-halogene sijalice kao izvore svjetlosti mogu dobro simulirati sunčevo zračenje, dok komore za starenje koje koriste fluorescentne ultraljubičaste lampe nisu namijenjene imitiranju sunčeve svjetlosti, već samo simuliraju efekat starenja sunčeve svjetlosti. Osim toga, na tržištu postoje kutije za starenje koje koriste karbonske lučne lampe kao izvor svjetlosti. Međutim, spektar ugljičnog luka nema dobru korelaciju sa spektrom sunčeve svjetlosti, a korištenje karbonskih lučnih lampi je iz povijesnih razloga.
2) Relevantnost ubrzanog starenja
Korelacija se odnosi na stepen konzistentnosti između rezultata ubrzanog starenja u laboratoriji i rezultata starenja materijala u stvarnom okruženju upotrebe. Samo kada je test ubrzanog starenja relevantan, može istinski odražavati otpornost materijala na vremenske uvjete i istinski predvidjeti vijek trajanja materijala. Nerazumno ubrzano testiranje će smanjiti relevantnost testa i čak izgubiti njegovo značenje.
3) Trend razvoja ubrzanog starenja u laboratorijama
Kao što je spomenuto na početku, faktori koji utiču na starenje materijala su sunčevo zračenje, temperatura, voda i drugi faktori. Starenje materijala je rezultat zajedničkog djelovanja ovih faktora, ali nije obična superpozicija djelovanja različitih faktora. Sinergiju između njih također treba razmotriti. Stoga, sveobuhvatnija simulacija stvarnog okruženja upotrebe materijala može dovesti do boljih relevantnih rezultata. Na primjer, prema standardu ISO 20340, test se zasniva na ciklusu od 7 dana. 1. do 3. dana radi se UV test sa ciklusom svjetla i tame prema ISO 11507. 4. do 6. dana se radi ispitivanje slanom sprejom prema ISO 9227. 7. dana ({{9} } Ispitivanje niske temperature od ±2) stepena. U poređenju sa tradicionalnim testom otpornosti na vremenske uslove, on integriše više faktora koji utiču na starenje i više je u skladu sa stvarnim uslovima upotrebe materijala, tako da može bolje da odražava stvarno starenje materijala. Znamo da plijesan, koncentracija ozona itd. imaju važan utjecaj na starenje plastičnih proizvoda. Kako integrisati više faktora starenja u testiranje će biti jedan od razvojnih pravaca ubrzanog starenja u laboratorijama.
05 Metode protiv starenja polimernih materijala
Trenutno, glavne metode za poboljšanje i poboljšanje svojstava polimernih materijala protiv starenja uključuju sljedeće:
1. Fizička zaštita (kao što je zgušnjavanje, farbanje, spajanje vanjskog sloja, itd.)
Starenje polimernih materijala, posebno starenje fotokisenikom, najprije počinje od površine materijala ili proizvoda, manifestira se promjenama boje, puderom, pucanjem, gubitkom sjaja itd., a zatim postupno prodire dublje u unutrašnjost. Tanki proizvodi imaju veću vjerovatnoću da prerano propadnu nego debeli proizvodi, tako da se vijek trajanja proizvoda može produžiti zgušnjavanjem proizvoda. Za proizvode koji su podložni starenju, možete nanijeti sloj premaza s dobrom otpornošću na vremenske uvjete na površinu ili spojiti sloj materijala sa dobrom otpornošću na vremenske uvjete na vanjski sloj proizvoda kako biste pričvrstili zaštitni sloj na površinu proizvod. Usporite proces starenja.
2. Poboljšati tehnologiju obrade
Mnogi materijali takođe imaju problema sa starenjem tokom procesa sinteze ili pripreme. Na primer, uticaj toplote tokom polimerizacije, termičko starenje kiseonika tokom obrade itd. Shodno tome, uticaj kiseonika se može ublažiti dodavanjem uređaja za uklanjanje kiseonika ili uređaja za vakuum tokom polimerizacije ili obrade. Međutim, ova metoda može garantovati performanse materijala samo kada izađe iz fabrike, a ova metoda se može implementirati samo iz izvora pripreme materijala i ne može rešiti problem starenja prilikom njegove prerade i upotrebe.
3. Projektovanje strukture ili modifikacija polimernih materijala
Mnogi polimerni materijali sadrže grupe koje su u svojoj molekularnoj strukturi vrlo osjetljive na starenje. Stoga, kroz dizajn molekularne strukture materijala, zamjenom grupa koje su sklone starenju grupama koje nisu sklone starenju često se mogu postići dobri rezultati. Ili, funkcionalne grupe ili strukture sa efektima protiv starenja mogu se uvesti u polimerni lanac kalemljenjem ili kopolimerizacijom, dajući samom materijalu odlične funkcije protiv starenja. Ovo je također metoda koju često koriste istraživači, ali je cijena relativno visoka. Visoka, velika proizvodnja i primjena za sada se ne mogu postići.
4. Dodajte aditive protiv starenja
Trenutno, efikasan i uobičajen način za poboljšanje otpornosti na starenje polimernih materijala je dodavanje aditiva protiv starenja, koji se široko koriste zbog niske cijene i odsustva promjena u postojećim proizvodnim procesima. Postoje dva glavna načina za dodavanje ovih aditiva protiv starenja:
Metoda direktnog dodavanja aditiva: to jest, aditiv protiv starenja (prah ili tekućina) se direktno miješa i miješa sa sirovinama kao što je smola, a zatim ekstrudira za granulaciju ili injekcijsko prešanje, itd. Zato što je ova metoda dodavanja jednostavna i laka za implementaciju, naširoko ga koristi većina fabrika za peletiranje i brizganje.
Metoda dodavanja masterbatcha protiv starenja: Proizvođači sa većim zahtjevima za kvalitetom proizvoda i stabilnošću kvaliteta češće koriste metodu dodavanja masterbatcha protiv starenja tokom proizvodnje. Masterbatch protiv starenja se dobija korišćenjem odgovarajuće smole kao nosača, pomešane sa raznim efikasnim aditivima protiv starenja, a zatim koekstrudira i granulira pomoću ekstrudera sa dva vijka. Prednost njegove primjene leži u korištenju aditiva protiv starenja u procesu pripreme masterbatcha. Prvo se postiže pred-disperzija, a zatim se u kasnijem procesu obrade materijala sekundarno raspršuju aditivi protiv starenja, čime se postiže svrha ravnomjerne disperzije aditiva u matrici polimernog materijala, čime se osigurava ne samo stabilnost kvaliteta materijala. proizvod, ali i Izbjegava zagađenje prašinom tokom proizvodnje, čineći proizvodnju zelenijom i ekološki prihvatljivijom.