Vrste staranja, testi staranja in metode proti staranju polimernih materialov
01 Trenutno stanje razvoja polimernih materialov
Polimerni materiali se zaradi svojih odličnih lastnosti, kot so majhna teža, visoka trdnost, temperaturna odpornost in odpornost proti koroziji, zdaj pogosto uporabljajo na številnih področjih, kot so vrhunska proizvodnja, elektronske informacije, transport, varčevanje z energijo v zgradbah, letalstvo in nacionalna obrambne in vojaške industrije. igral veliko vlogo.
Ni samo pomembna osnovna industrija nacionalnega gospodarstva, ampak tudi vodilna industrija države;
To ni le strateška nastajajoča industrija v petrokemični industriji, ampak tudi pomemben podporni material za strateško nastajajoče industrije, kot so elektronske informacije, vesoljska industrija, nacionalna obramba in nova energija;
Ne le, da ima visoko tehnološko vsebino in visoko dodano vrednost, je tudi pomembna usmeritev za transformacijo in nadgradnjo petrokemične industrije.
Zato so polimerni materiali že od nekdaj razvojno področje, ki mu razvite države in multinacionalke pripisujejo velik pomen. To ne zagotavlja le širokega tržnega prostora za industrijo novih polimernih materialov, ampak postavlja tudi višje zahteve glede njene kakovosti delovanja, stopnje zanesljivosti in podpornih zmogljivosti.
Zato je vedno več pozornosti pritegnilo, kako povečati funkcije izdelkov iz polimernih materialov, ki temeljijo na načelih varčevanja z energijo, nizkega ogljika in ekološkega razvoja. Staranje je pomemben dejavnik, ki vpliva na zanesljivost in trajnost polimernih materialov.
02 Vrste staranja polimernih materialov
Med predelavo, skladiščenjem in uporabo polimernih materialov se zaradi skupnega delovanja notranjih in zunanjih dejavnikov postopoma slabšajo njihove lastnosti in sčasoma izgubljajo uporabno vrednost. Ta pojav sodi med staranje polimernih materialov.
To ne povzroča le tratenja virov, ampak lahko vodi celo do večjih nesreč zaradi funkcionalne okvare, razgradnja materialov, ki jo povzroči staranje, pa lahko tudi onesnažuje okolje.
Zaradi različnih vrst polimerov in različnih pogojev uporabe imajo različne pojave in značilnosti staranja. Na splošno lahko staranje polimernih materialov razvrstimo v naslednje štiri vrste sprememb:
1. Spremembe videza
Pojav madežev, madežev, prog, razpok, cvetenja, krede, lepljivosti, zvijanja, ribjih oči, gubanja, krčenja, žganja, optičnega popačenja in sprememb optične barve.
2. Spremembe fizikalnih lastnosti
Vključno s spremembami v topnosti, nabrekanju, reoloških lastnostih, odpornosti proti mrazu, toplotni odpornosti, prepustnosti za vodo, prepustnosti za zrak in drugimi lastnostmi.
3. Spremembe mehanskih lastnosti
Spremembe natezne trdnosti, upogibne trdnosti, strižne trdnosti, udarne trdnosti, relativnega raztezka, sprostitve napetosti in drugih lastnosti.
4. Spremembe električnih lastnosti
Kot so spremembe površinskega upora, volumskega upora, dielektrične konstante, električne prebojne trdnosti itd.
03 Dejavniki, ki povzročajo staranje polimernih materialov
1. Makro analiza
Ker bodo polimeri med predelavo in uporabo podvrženi kombiniranim učinkom okoljskih dejavnikov, kot so toplota, kisik, voda, svetloba, mikroorganizmi in kemični mediji. Njihova kemična sestava in struktura bosta doživeli vrsto sprememb, temu primerno se bodo spremenile tudi njihove fizikalne lastnosti. Poslabšanje, kot so trdota, lepljivost, krhkost, razbarvanje, izguba trdnosti itd. Te spremembe in pojave imenujemo staranje.
2. Mikroskopska analiza
Visokomolekularni polimeri bodo pod delovanjem toplote ali svetlobe tvorili molekule v vzbujenem stanju. Ko je energija dovolj visoka, se molekularne verige zlomijo in nastanejo prosti radikali. Prosti radikali lahko povzročijo verižne reakcije znotraj polimera, še naprej povzročajo razgradnjo in lahko povzročijo navzkrižno povezovanje.
Če je v okolju prisoten kisik ali ozon, bo sprožena vrsta oksidacijskih reakcij, da nastanejo hidroperoksidi (ROOH), ki bodo nadalje razpadli na karbonilne skupine.
Če so v polimeru preostali kovinski ioni katalizatorja ali so med predelavo in uporabo vneseni kovinski ioni, kot so baker, železo, mangan, kobalt itd., se bo reakcija oksidativne razgradnje polimera pospešila.
04 Test staranja
Pri razvoju ali izboljšavi novih materialov je za preverjanje njihove življenjske dobe ali učinka proti staranju potrebno testiranje staranja. Običajni testi staranja vključujejo naravno staranje in laboratorijsko pospešeno staranje.
1.Naravno staranje
Naravno staranje pomeni izpostavitev vzorca materiala neposredno naravnemu okolju. Običajno je vzorec nameščen na stojalo za osvetlitev pod določenim kotom. Običajni koti osvetlitve so 5 stopinj, 45 stopinj in 90 stopinj. Ustrezni standardi testiranja vključujejo ISO 877 Plastics – Metode izpostavljenosti sončnemu sevanju; ISO2810 Barve in laki - Naravno preperevanje premazov - Izpostavljenost in ocena; ASTMG7 Standardna praksa za preskušanje izpostavljenosti nekovinskih materialov atmosferskemu okolju itd.
Preskusna metoda naravnega staranja je preprosta in poceni, vendar je njen preskusni cikel predolg, kar vpliva na napredek optimizacije oblikovanja izdelka. Še več, ker gre za naravno okolje in podnebnih razmer ni mogoče nadzorovati, je za zagotovitev ponovljivosti rezultatov testiranja še posebej pomembna izbira mesta testiranja. Združene države so leta 1931 vzpostavile naravno podnebno polje v Južni Floridi, ki je standardno polje izpostavljenosti vročemu in vlažnemu podnebju v Združenih državah. Preskusno mesto v osrednji Arizoni je standardno mesto izpostavljenosti suhi vročini. Testno mesto za izpostavljenost Turpan Nacionalnega centra za nadzor in inšpekcijo kakovosti motornih vozil v moji državi je tudi tipično mesto izpostavljenosti suhemu in vročemu podnebju. Najvišja temperatura na območju Turpan od maja do avgusta je nad 40 stopinj, skrajna najvišja temperatura je 49,6 stopinj, povprečna letna količina padavin pa le 8 mm. Izpostavljeno polje v Qionghaiju v Hainanu ima značilne vroče in vlažne podnebne razmere. Povprečna letna temperatura je 27,4 stopinje, povprečna letna količina padavin pa kar 2134 mm.
2. Pospešeno staranje v laboratoriju
Da bi pospešili preskusni cikel in hitreje pridobili podatke o staranju, laboratorij običajno uporablja umetne vire svetlobe za simulacijo sončnega sevanja, prilagajanje različnih temperatur, vlažnosti in dežja itd. ter lahko simulira različne naravne klime.
1) Izbira vira svetlobe
Običajno uporabljeni viri umetne svetlobe so ksenonske obločne sijalke, metalhalogenidne sijalke in ultravijolične fluorescenčne sijalke. UV fluorescenčne sijalke lahko zelo dobro simulirajo sončno svetlobo v srednjevalovnem UV in kratkovalovnem UV območju. Ksenonske obločne sijalke in metalhalogenidne sijalke lahko zelo dobro simulirajo sončno svetlobo v celotnem spektru. Zato lahko preskusne komore, ki uporabljajo ksenonske žarnice in metalhalogenidne žarnice kot svetlobne vire, dobro simulirajo sončno sevanje, medtem ko komore za staranje, ki uporabljajo fluorescenčne ultravijolične žarnice, niso namenjene posnemanju sončne svetlobe, ampak le simulirajo učinek staranja sončne svetlobe. Poleg tega so na trgu škatle za staranje, ki kot vir svetlobe uporabljajo karbonske obločne svetilke. Vendar pa spekter ogljikovega obloka nima dobre korelacije s spektrom sončne svetlobe in uporaba testiranja z ogljikovim obločnim svetilkom je posledica zgodovinskih razlogov.
2) Pomen pospešenega staranja
Korelacija se nanaša na stopnjo skladnosti med rezultati pospešenega staranja v laboratoriju in rezultati staranja materiala v okolju dejanske uporabe. Le če je test pospešenega staranja pomemben, lahko resnično odraža vremensko odpornost materiala in resnično napove življenjsko dobo materiala. Nerazumno pospešeno testiranje bo zmanjšalo relevantnost testa in celo izgubilo njegov pomen.
3) Trend razvoja pospešenega staranja v laboratorijih
Kot že omenjeno na začetku, dejavniki, ki vplivajo na staranje materiala, vključujejo sončno sevanje, temperaturo, vodo in druge dejavnike. Staranje materialov je posledica skupnega delovanja teh dejavnikov, vendar ne gre za preprosto superpozicijo učinkov različnih dejavnikov. Upoštevati je treba tudi sinergijo med njimi. Zato lahko celovitejša simulacija dejanskega okolja uporabe materiala vodi do boljših ustreznih rezultatov. Na primer, v skladu s standardom ISO 20340 test temelji na ciklu 7 dni. 1. do 3. dan se izvede UV-test s ciklom svetlobe in teme v skladu z ISO 11507. 4. do 6. dan se izvede preskus s slanim pršenjem v skladu z ISO 9227. 7. dan ({{9} } Nizkotemperaturni preizkus ±2) stopinje. V primerjavi s tradicionalnim preskusom odpornosti na vremenske vplive vključuje več dejavnikov, ki vplivajo na staranje, in je bolj v skladu z dejanskimi pogoji uporabe materiala, tako da lahko bolje odraža dejansko staranje materiala. Vemo, da plesen, koncentracija ozona itd. pomembno vplivajo na staranje plastičnih izdelkov. Kako v testiranje vključiti več dejavnikov staranja, bo ena od smeri razvoja pospešenega staranja v laboratorijih.
05 Metode proti staranju polimernih materialov
Trenutno so glavne metode za izboljšanje in izboljšanje lastnosti polimernih materialov proti staranju naslednje:
1. Fizična zaščita (kot je zgoščevanje, barvanje, mešanje zunanje plasti itd.)
Staranje polimernih materialov, predvsem fotokisikovo staranje, se najprej začne na površini materiala oziroma izdelka, kar se kaže kot razbarvanje, pudranje, razpokanje, izguba sijaja itd., nato pa postopoma prodira globlje v notranjost. Pri tankih izdelkih obstaja večja verjetnost, da prezgodaj odpovejo kot pri debelih, zato lahko življenjsko dobo izdelka podaljšate z zgoščevanjem izdelka. Pri izdelkih, ki so nagnjeni k staranju, lahko na površino nanesete plast premaza, ki je dobro odporen na vremenske vplive, ali na zunanjo plast izdelka nanesete plast materiala, ki je odporen na vremenske vplive, da pritrdite zaščitno plast na površino izdelka. izdelek. Upočasni proces staranja.
2. Izboljšajte tehnologijo obdelave
Mnogi materiali imajo tudi težave s staranjem med procesom sinteze ali priprave. Na primer vpliv toplote med polimerizacijo, toplotno kisikovo staranje med procesiranjem itd. Temu primerno lahko vpliv kisika ublažimo z dodajanjem naprave za odstranjevanje kisika ali vakuumske naprave med polimerizacijo ali predelavo. Vendar pa ta metoda lahko zagotovi samo učinkovitost materiala, ko zapusti tovarno, in ta metoda se lahko izvaja le iz vira priprave materiala in ne more rešiti problema staranja med njegovo ponovno obdelavo in uporabo.
3. Strukturna zasnova ali modifikacija polimernih materialov
Številni polimerni materiali vsebujejo v svoji molekularni strukturi skupine, ki so zelo dovzetne za staranje. Zato lahko z zasnovo molekularne strukture materiala zamenjava skupin, ki so nagnjene k staranju, s skupinami, ki niso nagnjene k staranju, pogosto doseže dobre rezultate. Ali pa se lahko funkcionalne skupine ali strukture z učinki proti staranju uvedejo v polimerno verigo s cepljenjem ali kopolimerizacijo, kar daje samemu materialu odlične funkcije proti staranju. To je tudi metoda, ki jo pogosto uporabljajo raziskovalci, vendar je cena relativno visoka. Visoke obsežne proizvodnje in uporabe zaenkrat ni mogoče doseči.
4. Dodajte dodatke proti staranju
Trenutno je učinkovit in običajen način za izboljšanje odpornosti proti staranju polimernih materialov dodajanje aditivov proti staranju, ki se pogosto uporabljajo zaradi nizkih stroškov in odsotnosti sprememb obstoječih proizvodnih procesov. Obstajata dva glavna načina za dodajanje teh dodatkov proti staranju:
Metoda neposrednega dodajanja aditivov: to pomeni, da se aditiv proti staranju (prah ali tekočina) neposredno zmeša in zmeša s surovinami, kot je smola, in nato ekstrudira za granulacijo ali brizganje itd. Ker je ta metoda dodajanja preprosta in enostavna za izvedbo ga pogosto uporablja večina tovarn za peletiranje in brizganje.
Metoda dodajanja masterbatch proti staranju: Proizvajalci z višjimi zahtevami po kakovosti izdelkov in stabilnosti kakovosti pogosteje uporabljajo metodo dodajanja masterbatch proti staranju med proizvodnjo. Masterbatch proti staranju se pridobi z uporabo ustrezne smole kot nosilca, pomešane z različnimi učinkovitimi dodatki proti staranju, nato pa se koekstrudira in granulira z dvopolžnim ekstruderjem. Prednost njegove uporabe je v uporabi dodatkov proti staranju v procesu priprave masterbatcha. Najprej se doseže preddisperzija, nato pa se v kasnejšem procesu obdelave materiala aditivi proti staranju sekundarno dispergirajo, s čimer se doseže namen enakomerne disperzije aditivov v matrici polimernega materiala, kar ne zagotavlja le stabilnosti kakovosti materiala. izdelek, ampak tudi preprečuje onesnaženje s prahom med proizvodnjo, zaradi česar je proizvodnja bolj zelena in okolju prijazna.