Tipuri de îmbătrânire, teste de îmbătrânire și metode anti-îmbătrânire ale materialelor polimerice
01 Stadiul actual al dezvoltării materialelor polimerice
Materialele polimerice, datorită proprietăților lor excelente, cum ar fi greutatea ușoară, rezistența ridicată, rezistența la temperatură și rezistența la coroziune, sunt acum utilizate pe scară largă în multe domenii, cum ar fi producția de ultimă generație, informații electronice, transport, conservarea energiei clădirilor, aerospațial și național. apărare și industrii militare. a jucat un rol uriaș.
Nu este doar o importantă industrie de bază a economiei naționale, ci și o industrie de frunte a țării;
Nu este doar o industrie emergentă strategică în industria petrochimică, ci și un material de sprijin important pentru industriile emergente strategice, cum ar fi informațiile electronice, aerospațiale, apărarea națională și energia nouă;
Nu numai că are un conținut tehnologic ridicat și o valoare adăugată ridicată, dar este și o direcție importantă pentru transformarea și modernizarea industriei petrochimice.
Prin urmare, materialele polimerice au fost întotdeauna un domeniu de dezvoltare căruia țările dezvoltate și companiile multinaționale îi acordă o mare importanță. Acest lucru nu numai că oferă un spațiu larg de piață pentru noua industrie a materialelor polimerice, dar propune și cerințe mai ridicate pentru performanța sa de calitate, nivelul de fiabilitate și capabilitățile de suport.
Prin urmare, modul de maximizare a funcțiilor produselor din materiale polimerice bazate pe principiile conservării energiei, cu emisii reduse de carbon și dezvoltării ecologice a atras din ce în ce mai multă atenție. Îmbătrânirea este un factor important care afectează fiabilitatea și durabilitatea materialelor polimerice.
02 Tipuri de îmbătrânire ale materialelor polimerice
În timpul prelucrării, depozitării și utilizării materialelor polimerice, datorită efectelor combinate ale factorilor interni și externi, proprietățile acestora se deteriorează treptat și în cele din urmă își pierd valoarea de utilizare. Acest fenomen aparține îmbătrânirii materialelor polimerice.
Acest lucru nu numai că provoacă o risipă de resurse, dar poate duce chiar la accidente mai mari din cauza defecțiunii funcționale, iar descompunerea materialelor cauzată de îmbătrânire poate, de asemenea, să polueze mediul.
Datorită diferitelor tipuri de polimeri și a diferitelor condiții de utilizare, aceștia au fenomene și caracteristici diferite de îmbătrânire. În general, îmbătrânirea materialelor polimerice poate fi clasificată în următoarele patru tipuri de modificări:
1. Schimbări de aspect
Apariția petelor, petelor, dungilor, crăpăturilor, înfloririi, cretului, lipicioase, deformări, ochi de pește, încrețiri, contracție, arsuri, distorsiuni optice și modificări ale culorii optice.
2. Modificări ale proprietăților fizice
Inclusiv modificări ale solubilității, umflarea, proprietățile reologice, rezistența la frig, rezistența la căldură, permeabilitatea apei, permeabilitatea aerului și alte proprietăți.
3. Modificări ale proprietăților mecanice
Modificări ale rezistenței la tracțiune, rezistența la încovoiere, rezistența la forfecare, rezistența la impact, alungirea relativă, relaxarea tensiunii și alte proprietăți.
4. Modificări ale proprietăților electrice
Cum ar fi modificări ale rezistenței suprafeței, rezistenței de volum, constantei dielectrice, rezistenței electrice la defalcare etc.
03 Factorii care cauzează îmbătrânirea materialelor polimerice
1. Analiza macro
Deoarece în timpul prelucrării și utilizării polimerilor, aceștia vor fi supuși efectelor combinate ale factorilor de mediu precum căldura, oxigenul, apa, lumina, microorganismele și mediile chimice. Compoziția și structura lor chimică vor suferi o serie de modificări, iar proprietățile lor fizice se vor modifica în consecință. Deteriorări, cum ar fi duritatea, lipiciitatea, fragilitatea, decolorarea, pierderea rezistenței, etc. Aceste schimbări și fenomene se numesc îmbătrânire.
2. Analiza microscopică
Polimerii cu molecule înalte vor forma molecule în stare excitată sub acțiunea căldurii sau a luminii. Când energia este suficient de mare, lanțurile moleculare se vor rupe pentru a forma radicali liberi. Radicalii liberi pot forma reacții în lanț în interiorul polimerului, continuă să provoace degradarea și pot provoca reticulare.
Dacă oxigenul sau ozonul sunt prezente în mediu, vor fi induse o serie de reacții de oxidare pentru a forma hidroperoxizi (ROOH), care se vor descompune în continuare în grupări carbonil.
Dacă în polimer există ioni metalici de catalizator reziduali sau ioni metalici precum cupru, fier, mangan, cobalt etc. sunt introduși în timpul procesării și utilizării, reacția de degradare oxidativă a polimerului va fi accelerată.
04 Test de îmbătrânire
În dezvoltarea sau îmbunătățirea noilor materiale, pentru a le verifica durata de viață sau efectul anti-îmbătrânire, este necesară testarea îmbătrânirii. Testele comune de îmbătrânire includ îmbătrânirea naturală și îmbătrânirea accelerată de laborator.
1.Îmbătrânire naturală
Îmbătrânirea naturală înseamnă expunerea probei de material direct la mediul natural. De obicei, proba este instalată pe suportul de expunere la un anumit unghi. Unghiurile obișnuite de expunere sunt de 5 grade, 45 de grade și 90 de grade. Standardele de testare relevante includ ISO 877 Materiale plastice - Metode de expunere la radiațiile solare; ISO2810 Vopsele și lacuri - Intemperii naturale ale acoperirilor - Expunere și evaluare; Practică standard ASTMG7 pentru testarea expunerii la mediu atmosferic a materialelor nemetalice etc.
Metoda de testare a îmbătrânirii naturale este simplă și ieftină, dar ciclul său de testare este prea lung, ceea ce afectează progresul de optimizare a designului produsului. Mai mult, întrucât este un mediu natural și condițiile climatice nu pot fi controlate, pentru a asigura reproductibilitatea rezultatelor testelor, selecția locului de testare este deosebit de importantă. Statele Unite au înființat un câmp de climă naturală în Florida de Sud în 1931, care este un câmp standard de expunere la climă caldă și umedă în Statele Unite. Locul de testare stabilit în Arizona centrală este un loc standard de expunere la căldură uscată. Locul de testare la expunerea la Turpan al Centrului național de supraveghere și inspecție a calității produselor autovehiculelor din țara mea este, de asemenea, un loc tipic de expunere la climă uscată și caldă. Temperatura maximă în zona Turpan din mai până în august este de peste 40 de grade, temperatura maximă extremă este de 49,6 grade, iar precipitațiile medii anuale sunt de doar 8 mm. Câmpul de expunere din Qionghai, Hainan are condiții climatice tipice calde și umede. Temperatura medie anuală este de 27,4 grade, iar precipitațiile medii anuale sunt de până la 2134 mm.
2. Îmbătrânire accelerată în laborator
Pentru a accelera ciclul de testare și a obține mai rapid datele de îmbătrânire, laboratorul utilizează de obicei surse de lumină artificială pentru a simula radiația solară, pentru a se potrivi cu diferite condiții de temperatură, umiditate și ploaie etc. și poate simula diverse climate naturale.
1) Selectarea sursei de lumină
Sursele de lumină artificială utilizate în mod obișnuit includ lămpile cu arc cu xenon, lămpile cu halogenuri metalice și lămpile fluorescente cu ultraviolete. Lămpile fluorescente UV pot simula foarte bine lumina soarelui în intervalele UV cu undă medie și UV cu undă scurtă. Lămpile cu arc cu xenon și lămpile cu halogenuri metalice pot simula foarte bine lumina soarelui în întregul spectru. Prin urmare, camerele de testare care folosesc lămpi cu xenon și lămpi cu halogenuri metalice ca surse de lumină pot simula bine radiația solară, în timp ce camerele de îmbătrânire care folosesc lămpi ultraviolete fluorescente nu sunt destinate să imite lumina soarelui, ci doar simulează efectul de îmbătrânire al luminii solare. În plus, pe piață există cutii vechi care folosesc lămpi cu arc de carbon ca sursă de lumină. Cu toate acestea, spectrul arcului de carbon nu are o corelație bună cu spectrul luminii solare, iar utilizarea testării lămpii cu arc de carbon este din motive istorice.
2) Relevanța îmbătrânirii accelerate
Corelația se referă la gradul de consistență dintre rezultatele îmbătrânirii accelerate în laborator și rezultatele îmbătrânirii materialului în mediul real de utilizare. Numai atunci când testul de îmbătrânire accelerată este relevant, acesta poate reflecta cu adevărat rezistența la intemperii a materialului și poate prezice cu adevărat durata de viață a materialului. Testarea accelerată nerezonabilă va reduce relevanța testului și chiar își va pierde sensul.
3) Tendința de dezvoltare a îmbătrânirii accelerate în laboratoare
După cum am menționat la început, factorii de influență ai îmbătrânirii materialelor includ radiația solară, temperatura, apa și alți factori. Îmbătrânirea materialelor este rezultatul acțiunii comune a acestor factori, dar nu este o simplă suprapunere a efectelor diferiților factori. De asemenea, trebuie luată în considerare sinergia dintre ele. Prin urmare, o simulare mai cuprinzătoare a mediului real de utilizare a materialului poate duce la rezultate mai relevante. De exemplu, conform standardului ISO 20340, testul se bazează pe un ciclu de 7 zile. În a 1-a până la a 3-a zi, se efectuează un test UV cu un ciclu de lumină și întuneric conform ISO 11507. În a 4-a până la a 6-a zi, se efectuează un test de pulverizare cu sare conform ISO 9227. În a 7-a zi ({{9} } Test de temperatură scăzută de ±2) grade . În comparație cu testul tradițional de rezistență la intemperii, integrează mai mulți factori care influențează îmbătrânirea și este mai în concordanță cu condițiile reale de utilizare a materialului, astfel încât să reflecte mai bine îmbătrânirea reală a materialului. Știm că mucegaiul, concentrația de ozon etc. toate au un impact important asupra îmbătrânirii produselor din plastic. Modul de integrare a mai multor factori de îmbătrânire în testare va fi una dintre direcțiile de dezvoltare a îmbătrânirii accelerate în laboratoare.
05 Metode de anti-îmbătrânire a materialelor polimerice
În prezent, principalele metode de îmbunătățire și îmbunătățire a proprietăților anti-îmbătrânire ale materialelor polimerice includ următoarele:
1. Protecție fizică (cum ar fi îngroșarea, vopsirea, amestecarea stratului exterior etc.)
Îmbătrânirea materialelor polimerice, în special îmbătrânirea fotooxigenului, începe mai întâi de la suprafața materialului sau a produsului, manifestându-se ca decolorare, pudrare, crăpare, pierdere a luciului etc., apoi pătrunde treptat mai adânc în interior. Produsele subțiri au mai multe șanse să eșueze prematur decât produsele groase, astfel încât durata de viață a produsului poate fi prelungită prin îngroșarea produsului. Pentru produsele care sunt predispuse la îmbătrânire, puteți aplica un strat de acoperire cu rezistență bună la intemperii pe suprafață sau puteți combina un strat de material cu rezistență bună la intemperii pe stratul exterior al produsului pentru a atașa un strat protector pe suprafața produs. Încetiniți procesul de îmbătrânire.
2. Îmbunătățiți tehnologia de procesare
Multe materiale au, de asemenea, probleme de îmbătrânire în timpul procesului de sinteză sau preparare. De exemplu, influența căldurii în timpul polimerizării, îmbătrânirea termică a oxigenului în timpul procesării etc. În mod corespunzător, impactul oxigenului poate fi atenuat prin adăugarea unui dispozitiv de îndepărtare a oxigenului sau a unui dispozitiv de vid în timpul polimerizării sau prelucrării. Cu toate acestea, această metodă poate garanta performanța materialului doar atunci când iese din fabrică, iar această metodă poate fi implementată doar din sursa de pregătire a materialului și nu poate rezolva problema îmbătrânirii în timpul reprocesării și utilizării sale.
3. Proiectarea structurală sau modificarea materialelor polimerice
Multe materiale polimerice conțin grupuri care sunt foarte susceptibile la îmbătrânire în structura lor moleculară. Prin urmare, prin proiectarea structurii moleculare a materialului, înlocuirea grupurilor care sunt predispuse la îmbătrânire cu grupuri care nu sunt predispuse la îmbătrânire poate obține adesea rezultate bune. Sau, grupurile funcționale sau structurile cu efecte anti-îmbătrânire pot fi introduse în lanțul polimeric prin grefare sau copolimerizare, dând materialului în sine funcții anti-îmbătrânire excelente. Aceasta este, de asemenea, o metodă des folosită de cercetători, dar costul este relativ mare. Producția și aplicarea la scară mare nu pot fi realizate deocamdată.
4. Adăugați aditivi anti-îmbătrânire
În prezent, o modalitate eficientă și comună de a îmbunătăți rezistența la îmbătrânire a materialelor polimerice este adăugarea de aditivi anti-îmbătrânire, care sunt utilizați pe scară largă din cauza costului lor scăzut și a absenței modificărilor proceselor de producție existente. Există două modalități principale de a adăuga acești aditivi anti-îmbătrânire:
Metoda de adăugare directă a aditivilor: adică aditivul anti-îmbătrânire (pulbere sau lichid) este amestecat direct și amestecat cu materii prime, cum ar fi rășina, și apoi extrudat pentru granulare sau turnare prin injecție, etc. Deoarece această metodă de adăugare este simplă și ușoară pentru implementare, este utilizat pe scară largă de majoritatea fabricilor de peletizare și turnare prin injecție.
Metoda de adăugare a masterbatch-ului anti-îmbătrânire: Producătorii cu cerințe mai mari pentru calitatea produsului și stabilitatea calității folosesc mai des metoda de adăugare a masterbatch-ului anti-îmbătrânire în timpul producției. Masterbatch-ul anti-îmbătrânire este obținut prin utilizarea unei rășini adecvate ca purtător, amestecat cu o varietate de aditivi anti-îmbătrânire eficienți, apoi coextrudat și granulat cu un extruder cu două șuruburi. Avantajul său de aplicare constă în utilizarea aditivilor anti-îmbătrânire în procesul de preparare a masterbatch-ului. În primul rând, se realizează pre-dispersia, iar apoi în procesul de prelucrare ulterioară a materialului, aditivii anti-îmbătrânire sunt dispersați secundar, realizând scopul de dispersie uniformă a aditivilor în matricea materialului polimeric, care nu numai că asigură stabilitatea calității produs, dar și Evită poluarea cu praf în timpul producției, făcând producția mai ecologică și mai ecologică.