Vrste starenja, ispitivanja starenja i metode protiv starenja polimernih materijala
01 Trenutno stanje razvoja polimernih materijala
Polimerni materijali, zbog svojih izvrsnih svojstava kao što su mala težina, velika čvrstoća, otpornost na temperaturu i otpornost na koroziju, sada se naširoko koriste u mnogim područjima kao što su vrhunska proizvodnja, elektroničke informacije, transport, ušteda energije u zgradarstvu, zrakoplovstvo i nacionalni obrambenu i vojnu industriju. odigrao golemu ulogu.
To nije samo važna temeljna industrija nacionalnog gospodarstva, već i vodeća industrija zemlje;
To nije samo strateška industrija u nastajanju u petrokemijskoj industriji, već i važan prateći materijal za strateške industrije u nastajanju kao što su elektroničke informacije, zrakoplovstvo, nacionalna obrana i nova energija;
Ne samo da ima visok tehnološki sadržaj i visoku dodanu vrijednost, već je i važan smjer transformacije i nadogradnje petrokemijske industrije.
Stoga su polimerni materijali oduvijek razvojno područje kojem razvijene zemlje i multinacionalne kompanije pridaju veliku važnost. Ovo ne samo da pruža široki tržišni prostor za industriju novih polimernih materijala, već također postavlja veće zahtjeve za kvalitetu izvedbe, razinu pouzdanosti i mogućnosti podrške.
Stoga sve više pozornosti privlači kako maksimizirati funkcije proizvoda od polimernih materijala na temelju načela očuvanja energije, niskog ugljika i ekološkog razvoja. Starenje je važan faktor koji utječe na pouzdanost i trajnost polimernih materijala.
02 Vrste starenja polimernih materijala
Tijekom prerade, skladištenja i uporabe polimernih materijala, zbog zajedničkog djelovanja unutarnjih i vanjskih čimbenika, njihova svojstva postupno propadaju i na kraju gube uporabnu vrijednost. Ova pojava pripada starenju polimernih materijala.
To ne samo da uzrokuje rasipanje resursa, već može čak dovesti do većih nesreća zbog funkcionalnog kvara, a razgradnja materijala uzrokovana starenjem također može zagaditi okoliš.
Zbog različitih vrsta polimera i različitih uvjeta uporabe, 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, optičke distorzije i promjena optičke boje.
2. Promjene fizičkih svojstava
Uključujući promjene topljivosti, bubrenja, reoloških svojstava, otpornosti na hladnoću, otpornosti na toplinu, propusnosti vode, propusnosti zraka i drugih svojstava.
3. Promjene mehaničkih svojstava
Promjene vlačne čvrstoće, čvrstoće na savijanje, čvrstoće na smicanje, čvrstoće na udar, relativnog istezanja, popuštanja naprezanja i drugih svojstava.
4. Promjene električnih svojstava
Kao što su promjene površinskog otpora, volumenskog otpora, dielektrične konstante, električne probojne čvrstoće itd.
03 Čimbenici koji uzrokuju starenje polimernih materijala
1. Makro analiza
Budući da će tijekom obrade i upotrebe polimeri biti podložni kombiniranim učincima čimbenika okoliša kao što su toplina, kisik, voda, svjetlost, mikroorganizmi i kemijski mediji. Njihov kemijski sastav i struktura doživjet će niz promjena, a sukladno tome mijenjat će se i njihova fizička svojstva. Propadanje, kao što je tvrdoća, ljepljivost, lomljivost, promjena boje, gubitak čvrstoće itd. Ove promjene i pojave nazivaju se starenjem.
2. Mikroskopska analiza
Visokomolekularni polimeri će formirati molekule u pobuđenom stanju pod djelovanjem topline ili svjetlosti. Kada je energija dovoljno visoka, molekularni lanci će se prekinuti i formirati slobodne radikale. Slobodni radikali mogu stvoriti lančane reakcije unutar polimera, nastaviti uzrokovati razgradnju i mogu uzrokovati umrežavanje.
Ako su u okolišu prisutni kisik ili ozon, bit će induciran niz oksidacijskih reakcija pri čemu nastaju hidroperoksidi (ROOH), koji će se dalje razgraditi na karbonilne skupine.
Ako postoje zaostali metalni ioni katalizatora u polimeru, ili se metalni ioni kao što su bakar, željezo, mangan, kobalt, itd. uvode tijekom 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 ispitivanje starenja. Uobičajeni testovi starenja uključuju prirodno starenje i laboratorijsko ubrzano starenje.
1.Prirodno starenje
Prirodno starenje je izlaganje uzorka materijala izravno prirodnom okolišu. Obično se uzorak postavlja na stalak za izlaganje pod određenim kutom. Uobičajeni kutovi ekspozicije su 5 stupnjeva, 45 stupnjeva i 90 stupnjeva. Relevantni standardi ispitivanja uključuju ISO 877 Plastics - Metode izlaganja sunčevom zračenju; ISO2810 Boje i lakovi - Prirodno trošenje premaza - Izlaganje i procjena; ASTMG7 Standardna praksa za ispitivanje izloženosti nemetalnih materijala atmosferi, itd.
Metoda ispitivanja prirodnog starenja jednostavna je i jeftina, ali je njezin ciklus ispitivanja predug, što utječe na napredak optimizacije dizajna proizvoda. Štoviše, budući da se radi o prirodnom okruženju i da se klimatski uvjeti ne mogu kontrolirati, kako bi se osigurala ponovljivost rezultata ispitivanja, odabir mjesta ispitivanja je posebno važan. Sjedinjene Države uspostavile su prirodno klimatsko polje u južnoj Floridi 1931., što je standardno polje izloženosti vrućoj i vlažnoj klimi u Sjedinjenim Državama. Ispitno mjesto uspostavljeno u središnjoj Arizoni standardno je mjesto izloženosti suhoj toplini. Ispitno mjesto izloženosti Turpanu Nacionalnog centra za nadzor i inspekciju kvalitete motornih vozila u mojoj zemlji također je tipično mjesto izloženosti suhoj i vrućoj klimi. Maksimalna temperatura u području Turpana od svibnja do kolovoza je iznad 40 stupnjeva, ekstremna maksimalna temperatura je 49,6 stupnjeva, a prosječna godišnja količina oborina je samo 8 mm. Polje izloženosti u Qionghaiju, Hainan ima tipične vruće i vlažne klimatske uvjete. Prosječna godišnja temperatura je 27,4 stupnja, a prosječna godišnja količina padalina čak 2134 mm.
2. Ubrzano starenje u laboratoriju
Kako bi se ubrzao testni ciklus i brže dobili podaci o starenju, laboratorij obično koristi umjetne izvore svjetlosti za simulaciju sunčevog zračenja, usklađivanje različitih temperatura, vlažnosti i uvjeta kiše itd., te može simulirati različite prirodne klime.
1) Odabir izvora svjetlosti
Često korišteni umjetni izvori svjetlosti uključuju ksenonske lučne svjetiljke, metalhalogene žarulje i ultraljubičaste fluorescentne svjetiljke. UV fluorescentne lampe mogu vrlo dobro simulirati sunčevu svjetlost u srednjovalnom UV i kratkovalnom UV rasponu. Xenon lučne žarulje i metalhalogene žarulje mogu vrlo dobro simulirati sunčevu svjetlost u punom spektru. Stoga ispitne komore koje koriste ksenonske žarulje i metalhalogene žarulje kao izvore svjetlosti mogu dobro simulirati sunčevo zračenje, dok komore za starenje koje koriste fluorescentne ultraljubičaste svjetiljke nisu namijenjene oponašanju sunčeve svjetlosti, već samo simuliraju učinak starenja sunčeve svjetlosti. Osim toga, na tržištu postoje kutije za starenje koje kao izvor svjetlosti koriste ugljične lučne svjetiljke. Međutim, spektar ugljičnog luka nema dobru korelaciju sa spektrom sunčeve svjetlosti, a korištenje ispitivanja ugljičnom lučnom svjetiljkom je iz povijesnih razloga.
2) Značaj ubrzanog starenja
Korelacija se odnosi na stupanj dosljednosti između rezultata ubrzanog starenja u laboratoriju i rezultata starenja materijala u okruženju stvarne uporabe. Tek kada je test ubrzanog starenja relevantan, može doista odražavati otpornost materijala na vremenske uvjete i doista predvidjeti životni vijek materijala. Nerazumno ubrzano testiranje će smanjiti relevantnost testa, pa čak i izgubiti smisao.
3) Trend razvoja ubrzanog starenja u laboratorijima
Kao što je spomenuto na početku, čimbenici koji utječu na starenje materijala uključuju sunčevo zračenje, temperaturu, vodu i druge čimbenike. Starenje materijala rezultat je zajedničkog djelovanja ovih čimbenika, ali nije jednostavna superpozicija djelovanja različitih čimbenika. Treba uzeti u obzir i sinergiju između njih. Stoga sveobuhvatnija simulacija stvarnog okruženja uporabe materijala može dovesti do boljih relevantnih rezultata. Na primjer, prema standardu ISO 20340, test se temelji na ciklusu od 7 dana. Od 1. do 3. dana provodi se UV test s ciklusom svjetla i tame prema ISO 11507. Od 4. do 6. dana provodi se test u slanom spreju prema ISO 9227. 7. dana ({{9} } Ispitivanje niske temperature od ±2) stupnja. U usporedbi s tradicionalnim testom otpornosti na vremenske uvjete, on uključuje više čimbenika koji utječu na starenje i više je u skladu sa stvarnim uvjetima uporabe materijala, tako da može bolje odražavati stvarno starenje materijala. Znamo da plijesan, koncentracija ozona itd. imaju važan utjecaj na starenje plastičnih proizvoda. Kako integrirati više faktora starenja u testiranje bit će jedan od smjerova razvoja ubrzanog starenja u laboratorijima.
05 Metode za sprječavanje starenja polimernih materijala
Trenutno, glavne metode za poboljšanje i poboljšanje svojstava protiv starenja polimernih materijala uključuju sljedeće:
1. Fizička zaštita (kao što je podebljavanje, bojanje, nanošenje vanjskog sloja itd.)
Starenje polimernih materijala, posebice fotokisično starenje, prvo počinje s površine materijala ili proizvoda, manifestirajući se kao diskoloracija, praškastost, pucanje, gubitak sjaja i sl., a zatim postupno prodire dublje u unutrašnjost. Veća je vjerojatnost da će tanki proizvodi prerano pokvariti nego debeli proizvodi, stoga se vijek trajanja proizvoda može produžiti podebljavanjem proizvoda. Za proizvode koji su skloni starenju, možete nanijeti sloj premaza koji je otporan na vremenske uvjete na površinu ili spojiti sloj materijala koji je otporan na vremenske uvjete na vanjski sloj proizvoda kako biste pričvrstili zaštitni sloj na površinu proizvod. Usporite proces starenja.
2. Poboljšati tehnologiju obrade
Mnogi materijali također imaju problema sa starenjem tijekom procesa sinteze ili pripreme. Na primjer, utjecaj topline tijekom polimerizacije, termičko starenje kisikom tijekom obrade, itd. Sukladno tome, utjecaj kisika može se ublažiti dodavanjem uređaja za uklanjanje kisika ili vakuumskog uređaja tijekom polimerizacije ili obrade. Međutim, ova metoda može jamčiti učinkovitost materijala samo kada napusti tvornicu, a ova se metoda može implementirati samo od izvora pripreme materijala i ne može riješiti problem starenja tijekom njegove ponovne obrade i upotrebe.
3. Strukturni dizajn ili modifikacija polimernih materijala
Mnogi polimerni materijali sadrže skupine koje su vrlo osjetljive na starenje u svojoj molekularnoj strukturi. Stoga se kroz dizajn molekularne strukture materijala, zamjenom skupina koje su sklone starenju sa skupinama koje nisu sklone starenju često mogu postići dobri rezultati. Ili, funkcionalne skupine ili strukture s učinkom protiv starenja mogu se uvesti u polimerni lanac putem cijepljenja ili kopolimerizacije, dajući samom materijalu izvrsne funkcije protiv starenja. Ovo je također metoda koju istraživači često koriste, ali cijena je relativno visoka. Visoka, velika proizvodnja i primjena za sada se ne mogu postići.
4. Dodajte aditive protiv starenja
Trenutačno je učinkovit i uobičajen način poboljšanja otpornosti polimernih materijala na starenje dodavanje aditiva protiv starenja, koji se naširoko koriste zbog niske cijene i odsutnosti promjena u postojećim proizvodnim procesima. Postoje dva glavna načina za dodavanje ovih aditiva protiv starenja:
Metoda izravnog dodavanja aditiva: to jest, aditiv protiv starenja (prah ili tekućina) izravno se miješa i miješa sa sirovinama kao što je smola, a zatim se ekstrudira za granulaciju ili injekcijsko prešanje, itd. Budući da je ova metoda dodavanja jednostavna i lagana za implementaciju, naširoko ga koristi većina tvornica za peletiranje i injekcijsko prešanje.
Metoda dodavanja anti-aging masterbatch-a: Proizvođači s višim zahtjevima za kvalitetu proizvoda i stabilnost kvalitete češće koriste metodu dodavanja anti-aging masterbatch-a tijekom proizvodnje. Masterbatch protiv starenja dobiva se korištenjem prikladne smole kao nosača, pomiješane s nizom učinkovitih aditiva protiv starenja, a zatim koekstrudirane i granulirane dvopužnim ekstruderom. Prednost njegove primjene leži u korištenju aditiva protiv starenja u procesu pripreme masterbatcha. Najprije se postiže preddisperzija, a zatim se u kasnijem procesu obrade materijala sekundarno dispergiraju aditivi protiv starenja, čime se postiže jednolika disperzija aditiva u matrici polimernog materijala, čime se osigurava ne samo stabilnost kvalitete, već proizvoda, ali i izbjegava onečišćenje prašinom tijekom proizvodnje, čineći proizvodnju zelenijom i ekološki prihvatljivijom.