Typy stárnutí, testy stárnutí a metody proti stárnutí polymerních materiálů
01 Současný stav vývoje polymerních materiálů
Polymerní materiály jsou díky svým vynikajícím vlastnostem, jako je nízká hmotnost, vysoká pevnost, teplotní odolnost a odolnost proti korozi, nyní široce používány v mnoha oblastech, jako je špičková výroba, elektronické informace, doprava, úspory energie budov, letecký průmysl a národní obranného a vojenského průmyslu. hrál obrovskou roli.
Je nejen významným základním průmyslem národního hospodářství, ale i předním průmyslovým odvětvím země;
Není to jen strategický vznikající průmysl v petrochemickém průmyslu, ale také důležitý podpůrný materiál pro strategická vznikající průmyslová odvětví, jako jsou elektronické informace, letectví, národní obrana a nová energetika;
Má nejen vysoký technologický obsah a vysokou přidanou hodnotu, ale je také důležitým směrem pro transformaci a modernizaci petrochemického průmyslu.
Proto byly polymerní materiály vždy vývojovou oblastí, které vyspělé země a nadnárodní společnosti přikládají velký význam. To nejenže poskytuje široký tržní prostor pro nový průmysl polymerních materiálů, ale také klade vyšší požadavky na jeho kvalitu, spolehlivost a možnosti podpory.
Stále více pozornosti proto přitahuje to, jak maximalizovat funkce produktů z polymerních materiálů založených na principech úspory energie, nízkouhlíkového a ekologického vývoje. Stárnutí je důležitým faktorem ovlivňujícím spolehlivost a životnost polymerních materiálů.
02 Typy stárnutí polymerních materiálů
Při zpracování, skladování a používání polymerních materiálů se vlivem kombinovaného působení vnitřních a vnějších faktorů jejich vlastnosti postupně zhoršují a nakonec ztrácejí svou užitnou hodnotu. Tento jev patří ke stárnutí polymerních materiálů.
To způsobuje nejen plýtvání zdroji, ale může dokonce vést k větším haváriím v důsledku funkční poruchy a rozklad materiálů způsobený stárnutím může také znečišťovat životní prostředí.
Vzhledem k různým typům polymerů a různým podmínkám použití mají různé jevy a vlastnosti stárnutí. Obecně lze stárnutí polymerních materiálů rozdělit do následujících čtyř typů změn:
1. Změny vzhledu
Výskyt skvrn, skvrn, pruhů, prasklin, květů, křídování, lepkavosti, deformace, rybích ok, vrásek, smršťování, připalování, optického zkreslení a změn optické barvy.
2. Změny fyzikálních vlastností
Včetně změn rozpustnosti, bobtnání, reologických vlastností, odolnosti proti chladu, tepelné odolnosti, propustnosti vody, propustnosti vzduchu a dalších vlastností.
3. Změny mechanických vlastností
Změny pevnosti v tahu, pevnosti v ohybu, pevnosti ve smyku, rázové houževnatosti, relativního prodloužení, relaxace napětí a dalších vlastností.
4. Změny elektrických vlastností
Jako jsou změny povrchového odporu, objemového odporu, dielektrické konstanty, elektrické průrazné pevnosti atd.
03 Faktory způsobující stárnutí polymerních materiálů
1. Makro analýza
Protože během zpracování a použití polymerů budou vystaveny kombinovaným účinkům faktorů prostředí, jako je teplo, kyslík, voda, světlo, mikroorganismy a chemická média. Jejich chemické složení a struktura projde řadou změn a podle toho se změní i jejich fyzikální vlastnosti. Zhoršení, jako je tvrdost, lepivost, křehkost, změna barvy, ztráta pevnosti atd. Tyto změny a jevy se nazývají stárnutí.
2. Mikroskopická analýza
Vysokomolekulární polymery budou tvořit molekuly excitovaného stavu působením tepla nebo světla. Když je energie dostatečně vysoká, molekulární řetězce se rozbijí za vzniku volných radikálů. Volné radikály mohou vytvářet řetězové reakce uvnitř polymeru, nadále způsobovat degradaci a mohou způsobit zesítění.
Pokud je v prostředí přítomen kyslík nebo ozón, dojde k vyvolání řady oxidačních reakcí za vzniku hydroperoxidů (ROOH), které se dále rozkládají na karbonylové skupiny.
Pokud jsou v polymeru zbytkové ionty katalytických kovů nebo jsou během zpracování a použití zavedeny kovové ionty, jako je měď, železo, mangan, kobalt atd., urychlí se oxidační degradační reakce polymeru.
04 Test stárnutí
Při vývoji nebo zdokonalování nových materiálů, aby se ověřila jejich životnost nebo účinek proti stárnutí, je vyžadováno testování stárnutí. Běžné testy stárnutí zahrnují přirozené stárnutí a laboratorní zrychlené stárnutí.
1.Přirozené stárnutí
Přirozené stárnutí znamená vystavení vzorku materiálu přímo přírodnímu prostředí. Obvykle se vzorek instaluje na expoziční stojan pod určitým úhlem. Běžné expoziční úhly jsou 5 stupňů, 45 stupňů a 90 stupňů. Mezi relevantní zkušební normy patří ISO 877 Plasty – Metody vystavení slunečnímu záření; ISO2810 Barvy a laky - Přirozené zvětrávání nátěrů - Expozice a hodnocení; Standardní postup ASTMG7 pro testování expozice nekovových materiálů atmosférickému prostředí atd.
Metoda testování přirozeného stárnutí je jednoduchá a levná, ale její testovací cyklus je příliš dlouhý, což ovlivňuje optimalizační postup návrhu produktu. Kromě toho, protože se jedná o přírodní prostředí a klimatické podmínky nelze kontrolovat, je pro zajištění reprodukovatelnosti výsledků zkoušek zvláště důležitý výběr zkušebního místa. Spojené státy v roce 1931 založily na jižní Floridě přírodní klimatické pole, což je standardní pole vystavení horkému a vlhkému klimatu ve Spojených státech. Testovací místo zřízené v centrální Arizoně je standardní místo vystavení suchému teplu. Místo testu expozice Turpan národního střediska pro dohled a kontrolu kvality výrobků motorových vozidel v mé zemi je také typickým místem vystavení suchému a horkému klimatu. Maximální teplota v oblasti Turpan od května do srpna je nad 40 stupňů, extrémní maximální teplota je 49,6 stupňů a průměrné roční srážky jsou pouze 8 mm. Expoziční pole v Qionghai, Hainan má typické horké a vlhké klimatické podmínky. Roční průměrná teplota je 27,4 stupně a průměrné roční srážky dosahují až 2134 mm.
2. Zrychlené stárnutí v laboratoři
Pro urychlení testovacího cyklu a rychlejší získání dat o stárnutí laboratoř obvykle používá umělé světelné zdroje k simulaci slunečního záření, přizpůsobení různým teplotním, vlhkostním a dešťovým podmínkám atd. a může simulovat různá přírodní klima.
1) Výběr zdroje světla
Mezi běžně používané zdroje umělého světla patří xenonové obloukové výbojky, halogenidové výbojky a ultrafialové zářivky. UV zářivky dokážou velmi dobře simulovat sluneční záření ve středněvlnném UV a krátkovlnném UV rozsahu. Xenonové obloukové výbojky a metalhalogenidové výbojky dokážou velmi dobře simulovat sluneční světlo v celém spektru. Zkušební komory, které používají xenonové výbojky a halogenidové výbojky jako zdroje světla, proto mohou dobře simulovat sluneční záření, zatímco stárnoucí komory, které používají fluorescenční ultrafialové výbojky, nejsou určeny k napodobování slunečního světla, ale pouze simulují účinek stárnutí slunečního světla. Kromě toho jsou na trhu stárnoucí krabice, které jako zdroj světla používají uhlíkové obloukové lampy. Spektrum uhlíkového oblouku však nemá dobrou korelaci se spektrem slunečního světla a použití testování uhlíkových obloukových lamp je z historických důvodů.
2) Význam zrychleného stárnutí
Korelace se týká stupně konzistence mezi výsledky urychleného stárnutí v laboratoři a výsledky stárnutí materiálu v prostředí skutečného použití. Pouze v případě, že je zrychlený test stárnutí relevantní, může skutečně odrážet odolnost materiálu vůči povětrnostním vlivům a skutečně předpovídat životnost materiálu. Nepřiměřené zrychlené testování sníží relevanci testu a dokonce ztratí smysl.
3) Trend vývoje zrychleného stárnutí v laboratořích
Jak již bylo zmíněno na začátku, mezi faktory ovlivňující stárnutí materiálu patří sluneční záření, teplota, voda a další faktory. Stárnutí materiálů je výsledkem společného působení těchto faktorů, ale nejde o jednoduchou superpozici působení různých faktorů. Je také třeba zvážit synergii mezi nimi. Komplexnější simulace skutečného prostředí použití materiálu proto může vést k lepším relevantním výsledkům. Například podle normy ISO 20340 je test založen na cyklu 7 dní. 1. až 3. den se provádí UV test s cyklem světla a tmy podle ISO 11507. 4. až 6. den se provádí test solnou mlhou podle ISO 9227. 7. den ({{9} } Nízkoteplotní test ±2) stupňů . Ve srovnání s tradičním testem odolnosti proti povětrnostním vlivům integruje více faktorů ovlivňujících stárnutí a je více v souladu se skutečnými podmínkami použití materiálu, takže může lépe odrážet skutečné stárnutí materiálu. Víme, že plísně, koncentrace ozonu atd. mají důležitý vliv na stárnutí plastových výrobků. Jak integrovat více faktorů stárnutí do testování bude jedním z vývojových směrů zrychleného stárnutí v laboratořích.
05 Metody proti stárnutí polymerních materiálů
V současné době mezi hlavní metody pro zlepšení a zlepšení vlastností polymerních materiálů proti stárnutí patří následující:
1. Fyzická ochrana (jako je zahušťování, nátěr, skládání vnější vrstvy atd.)
Stárnutí polymerních materiálů, zejména stárnutí fotokyslíkem, začíná nejprve od povrchu materiálu nebo výrobku, projevuje se odbarvením, pudrováním, praskáním, ztrátou lesku apod., a poté postupně proniká hlouběji do interiéru. U tenkých výrobků je větší pravděpodobnost předčasného selhání než u silných výrobků, takže životnost výrobku lze prodloužit zahuštěním výrobku. U výrobků, které jsou náchylné ke stárnutí, můžete na povrch nanést vrstvu nátěru s dobrou odolností vůči povětrnostním vlivům nebo na vnější vrstvu výrobku naskládat vrstvu materiálu s dobrou odolností vůči povětrnostním vlivům, aby se k povrchu připevnila ochranná vrstva. produkt. Zpomalte proces stárnutí.
2. Zlepšit technologii zpracování
Mnoho materiálů má také problémy se stárnutím během procesu syntézy nebo přípravy. Například vliv tepla během polymerace, tepelného stárnutí kyslíku během zpracování atd. Odpovídajícím způsobem lze dopad kyslíku zmírnit přidáním zařízení na odstraňování kyslíku nebo vakuového zařízení během polymerace nebo zpracování. Tato metoda však může zaručit výkonnost materiálu pouze při opuštění továrny a tuto metodu lze implementovat pouze ze zdroje přípravy materiálu a nemůže vyřešit problém stárnutí během jeho opětovného zpracování a použití.
3. Konstrukční návrh nebo modifikace polymerních materiálů
Mnoho polymerních materiálů obsahuje skupiny, které jsou ve své molekulární struktuře velmi náchylné ke stárnutí. Proto prostřednictvím návrhu molekulární struktury materiálu lze často dosáhnout dobrých výsledků nahrazením skupin, které jsou náchylné ke stárnutí, skupinami, které ke stárnutí náchylné nejsou. Nebo mohou být funkční skupiny nebo struktury s účinky proti stárnutí zavedeny do polymerního řetězce roubováním nebo kopolymerací, což dává materiálu samotnému vynikající funkce proti stárnutí. To je také metoda často používaná výzkumníky, ale cena je poměrně vysoká. Vysoké, velkosériové výroby a aplikace nelze v současné době dosáhnout.
4. Přidejte přísady proti stárnutí
V současné době je účinným a běžným způsobem, jak zlepšit odolnost polymerních materiálů proti stárnutí, přidání přísad proti stárnutí, které jsou široce používány kvůli jejich nízké ceně a absenci změn ve stávajících výrobních procesech. Existují dva hlavní způsoby, jak přidat tyto přísady proti stárnutí:
Metoda přímého přidávání přísad: to znamená, že přísada proti stárnutí (prášek nebo kapalina) je přímo smíchána a míchána se surovinami, jako je pryskyřice, a poté vytlačována pro granulaci nebo vstřikování atd. Protože tato metoda přidávání je jednoduchá a snadná k implementaci je široce používán většinou továren na peletizaci a vstřikování.
Metoda přidávání předsměsi proti stárnutí: Výrobci s vyššími požadavky na kvalitu produktu a stabilitu kvality častěji využívají při výrobě metodu přidávání předsměsi proti stárnutí. Předsměs proti stárnutí se získává použitím vhodné pryskyřice jako nosiče, smísí se s řadou účinných přísad proti stárnutí a poté se koextruduje a granuluje pomocí dvoušnekového extrudéru. Jeho aplikační výhoda spočívá v použití přísad proti stárnutí v procesu přípravy předsměsi. Nejprve se dosáhne předdisperze a poté se v pozdějším procesu zpracování materiálu sekundárně dispergují přísady proti stárnutí, čímž se dosáhne účelu rovnoměrného rozptýlení přísad v matrici polymerního materiálu, což zajišťuje nejen stálost kvality materiálu. Produkt, ale také Zabraňuje znečištění prachem při výrobě, díky čemuž je výroba ekologičtější a šetrnější k životnímu prostředí.