Polymeerimateriaalien ikääntymistyypit, ikääntymistestit ja ikääntymisen estomenetelmät
01 Polymeerimateriaalien kehityksen nykytila
Polymeerimateriaaleja käytetään erinomaisten ominaisuuksiensa, kuten keveyden, lujuuden, lämpötilan kestävyyden ja korroosionkestävyyden, vuoksi nykyään laajasti monilla aloilla, kuten huippuluokan valmistuksessa, elektroniikkatiedoissa, kuljetuksissa, rakennusten energiansäästössä, ilmailussa ja kansallisessa puolustus- ja sotilasteollisuus. näytteli valtavaa roolia.
Se ei ole vain tärkeä kansantalouden perusteollisuus, vaan myös maan johtava teollisuus;
Se ei ole vain strateginen nouseva teollisuus petrokemian teollisuudessa, vaan myös tärkeä tukimateriaali strategisille nouseville teollisuudenaloille, kuten elektroniselle tiedolle, ilmailualalle, maanpuolustukselle ja uudelle energialle;
Sen lisäksi, että sillä on korkea teknologinen sisältö ja korkea lisäarvo, se on myös tärkeä suunta petrokemian teollisuuden muuttamisessa ja uudistamisessa.
Siksi polymeerimateriaalit ovat aina olleet kehitysalue, jota kehittyneet maat ja monikansalliset yritykset pitävät erittäin tärkeänä. Tämä ei ainoastaan tarjoa laajaa markkina-aluetta uudelle polymeerimateriaaliteollisuudelle, vaan asettaa myös korkeammat vaatimukset sen laadulle, luotettavuustasolle ja tukikyvylle.
Siksi polymeerimateriaalituotteiden toimintojen maksimointi energiansäästön, vähähiilisen ja ekologisen kehityksen periaatteiden pohjalta on herättänyt yhä enemmän huomiota. Ikääntyminen on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa polymeerimateriaalien luotettavuuteen ja kestävyyteen.
02 Polymeerimateriaalien ikääntymistyypit
Polymeerimateriaalien käsittelyn, varastoinnin ja käytön aikana sisäisten ja ulkoisten tekijöiden yhteisvaikutuksista johtuen niiden ominaisuudet huononevat vähitellen ja menettävät lopulta käyttöarvonsa. Tämä ilmiö liittyy polymeerimateriaalien ikääntymiseen.
Tämä ei ainoastaan aiheuta resurssien tuhlausta, vaan voi jopa johtaa suurempiin onnettomuuksiin toimintahäiriön vuoksi, ja ikääntymisen aiheuttama materiaalien hajoaminen voi myös saastuttaa ympäristöä.
Erityyppisistä polymeereistä ja erilaisista käyttöolosuhteista johtuen niillä on erilaisia ikääntymisilmiöitä ja ominaisuuksia. Yleisesti ottaen polymeerimateriaalien ikääntyminen voidaan luokitella seuraavaan neljään muutostyyppiin:
1. Ulkonäön muutokset
Tahroja, täpliä, raitoja, halkeamia, kukintaa, liituutumista, tahmeutta, vääntymistä, kalansilmää, rypistymistä, kutistumista, polttamista, optista vääristymää ja optisen värin muutoksia.
2. Fysikaalisten ominaisuuksien muutokset
Mukaan lukien muutokset liukoisuudessa, turpoamisessa, reologisissa ominaisuuksissa, kylmänkestävyydessä, lämmönkestävyydessä, vedenläpäisevyydessä, ilmanläpäisevyydessä ja muissa ominaisuuksissa.
3. Muutokset mekaanisissa ominaisuuksissa
Muutokset vetolujuudessa, taivutuslujuudessa, leikkauslujuudessa, iskulujuudessa, suhteellisessa venymässä, jännitysrelaksaatiossa ja muissa ominaisuuksissa.
4. Muutokset sähköisissä ominaisuuksissa
Kuten muutokset pintaresistanssissa, tilavuusvastuksessa, dielektrisyysvakiossa, sähköiskun lujuudessa jne.
03 Polymeerimateriaalien ikääntymistä aiheuttavat tekijät
1. Makroanalyysi
Koska polymeerien käsittelyn ja käytön aikana ne altistuvat ympäristötekijöiden, kuten lämmön, hapen, veden, valon, mikro-organismien ja kemiallisten välineiden yhteisvaikutuksille. Niiden kemiallinen koostumus ja rakenne muuttuvat sarjassa, ja myös niiden fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat vastaavasti. Heikkeneminen, kuten kovuus, tahmeus, hauraus, värimuutos, lujuuden menetys jne. Näitä muutoksia ja ilmiöitä kutsutaan ikääntymiseksi.
2. Mikroskooppinen analyysi
Suurimolekyyliset polymeerit muodostavat virittyneitä molekyylejä lämmön tai valon vaikutuksesta. Kun energia on tarpeeksi korkea, molekyyliketjut katkeavat muodostaen vapaita radikaaleja. Vapaat radikaalit voivat muodostaa ketjureaktioita polymeerin sisällä, aiheuttaa edelleen hajoamista ja voivat aiheuttaa silloittumisen.
Jos ympäristössä on happea tai otsonia, sarja hapetusreaktioita indusoituu muodostaen hydroperoksideja (ROOH), jotka hajoavat edelleen karbonyyliryhmiksi.
Jos polymeerissä on jäljellä katalyyttimetalli-ioneja tai metalli-ioneja, kuten kuparia, rautaa, mangaania, kobolttia jne. lisätään käsittelyn ja käytön aikana, polymeerin oksidatiivinen hajoamisreaktio kiihtyy.
04 Ikääntymistesti
Uusien materiaalien kehittämisessä tai parantamisessa niiden käyttöiän tai ikääntymistä estävän vaikutuksen varmistamiseksi tarvitaan ikääntymistestiä. Yleisiä ikääntymistokeita ovat luonnollinen ikääntyminen ja laboratoriokiihdytetty ikääntyminen.
1. Luonnollinen ikääntyminen
Luonnollinen vanheneminen tarkoittaa materiaalinäytteen altistamista suoraan luonnolliselle ympäristölle. Yleensä näyte asennetaan valotustelineeseen tietyssä kulmassa. Yleiset valotuskulmat ovat 5 astetta, 45 astetta ja 90 astetta. Asiaankuuluvia testausstandardeja ovat ISO 877 Muovit – Auringonsäteilylle altistumismenetelmät; ISO2810 Maalit ja lakat - Pintojen luonnollinen säänkesto - Altistuminen ja arviointi; ASTMG7 standardikäytäntö ei-metallisten materiaalien ilmakehän ympäristöaltistuksen testaamiseen jne.
Luonnollisen ikääntymisen testausmenetelmä on yksinkertainen ja edullinen, mutta sen testisykli on liian pitkä, mikä vaikuttaa tuotesuunnittelun optimoinnin etenemiseen. Lisäksi, koska kyseessä on luonnollinen ympäristö ja ilmasto-olosuhteita ei voida kontrolloida, testitulosten toistettavuuden varmistamiseksi testipaikan valinta on erityisen tärkeää. Yhdysvallat perusti vuonna 1931 Etelä-Floridaan luonnollisen ilmastokentän, joka on tavallinen kuumalle ja kostealle ilmastolle altistuva kenttä Yhdysvalloissa. Arizonan keskustaan perustettu testipaikka on tavanomainen kuivalle kuumuudelle altistuva paikka. Kotimaani kansallisen moottoriajoneuvojen tuotteiden laadunvalvonta- ja tarkastuskeskuksen Turpan-altistustestialue on myös tyypillinen altistumispaikka kuivalle ja kuumalle ilmastolle. Turpanin alueen ylin lämpötila touko-elokuussa on yli 40 astetta, äärimmäinen maksimilämpötila on 49,6 astetta ja keskimääräinen vuotuinen sademäärä on vain 8 mm. Altistuskentällä Qionghai, Hainan on tyypillinen kuuma ja kostea ilmasto. Vuoden keskilämpötila on 27,4 astetta ja keskimääräinen sademäärä vuodessa peräti 2134 mm.
2. Nopeutettu ikääntyminen laboratoriossa
Testisyklin nopeuttamiseksi ja ikääntymistietojen saamiseksi laboratorio käyttää tavallisesti keinotekoisia valonlähteitä auringon säteilyn simulointiin, eri lämpötilojen, kosteus- ja sadeolosuhteiden yhteensovittamiseen ja erilaisten luonnollisten ilmasto-olosuhteiden simulointiin.
1) Valonlähteen valinta
Yleisesti käytettyjä keinotekoisia valonlähteitä ovat ksenonkaarilamput, metallihalogenidilamput ja ultraviolettiloistelamput. UV-loistelamput voivat simuloida auringonvaloa erittäin hyvin keskiaalto-UV- ja lyhytaalto-UV-alueella. Ksenonkaarilamput ja metallihalogenidilamput voivat simuloida auringonvaloa erittäin hyvin koko spektrissä. Siksi ksenonlamppuja ja metallihalogenidilamppuja valonlähteinä käyttävät testikammiot voivat hyvin simuloida auringonvalon säteilyä, kun taas ikääntymiskammiot, joissa käytetään fluoresoivia ultraviolettilamppuja, ei ole tarkoitettu jäljittelemään auringonvaloa, vaan ainoastaan simuloivat auringonvalon ikääntymisvaikutusta. Lisäksi markkinoilla on ikääntyviä laatikoita, joissa käytetään valonlähteenä hiilikaarilamppuja. Hiilekaarispektrillä ei kuitenkaan ole hyvää korrelaatiota auringonvalon spektrin kanssa, ja hiilikaarilampputestauksen käyttö on historiallisista syistä.
2) Nopeutetun ikääntymisen merkitys
Korrelaatiolla tarkoitetaan laboratorion kiihdytettyjen ikääntymistulosten ja materiaalin todellisen käyttöympäristön vanhenemistulosten välistä yhdenmukaisuutta. Vain silloin, kun nopeutettu ikääntymistesti on relevantti, se voi todella heijastaa materiaalin säänkestävyyttä ja ennustaa aidosti materiaalin käyttöiän. Kohtuuton nopeutettu testaus vähentää testin relevanssia ja jopa menettää merkityksensä.
3) Nopeutetun ikääntymisen kehitystrendi laboratorioissa
Kuten alussa mainittiin, materiaalin ikääntymiseen vaikuttavia tekijöitä ovat auringon säteily, lämpötila, vesi ja muut tekijät. Materiaalien vanheneminen on seurausta näiden tekijöiden yhteistoiminnasta, mutta se ei ole pelkkä eri tekijöiden vaikutusten superpositio. Myös niiden välinen synergia on otettava huomioon. Siksi materiaalin todellisen käyttöympäristön kattavampi simulointi voi johtaa parempiin tuloksiin. Esimerkiksi ISO 20340 -standardin mukaan testi perustuu 7 päivän sykliin. 1.–3. päivänä suoritetaan UV-testi valon ja pimeyden syklillä ISO 11507:n mukaisesti. 4.–6. päivänä suoritetaan suolasumutesti ISO 9227:n mukaisesti. 7. päivänä ({{9} } Matalan lämpötilan testi ±2) astetta . Perinteiseen säänkestävyystestiin verrattuna se integroi enemmän ikääntymiseen vaikuttavia tekijöitä ja vastaa paremmin materiaalin todellisia käyttöolosuhteita, joten se voi paremmin heijastaa materiaalin todellista ikääntymistä. Tiedämme, että homeella, otsonipitoisuudella jne. on tärkeä vaikutus muovituotteiden ikääntymiseen. Enemmän ikääntymistekijöiden integroiminen testaukseen tulee olemaan yksi laboratorioiden nopeutetun ikääntymisen kehityssuunnista.
05 Menetelmät polymeerimateriaalien ikääntymisen estoon
Tällä hetkellä tärkeimmät menetelmät parantaa ja parantaa polymeerimateriaalien ikääntymistä estäviä ominaisuuksia ovat seuraavat:
1. Fyysinen suojaus (kuten paksuus, maalaus, ulkokerroksen yhdistäminen jne.)
Polymeerimateriaalien vanheneminen, erityisesti valohappivanheneminen, alkaa ensin materiaalin tai tuotteen pinnasta, mikä ilmenee värjäytymisenä, jauheena, halkeiluna, kiillon häviämisenä jne. ja tunkeutuu sitten vähitellen syvemmälle sisäosaan. Ohuet tuotteet hajoavat todennäköisemmin ennenaikaisesti kuin paksut tuotteet, joten tuotteen käyttöikää voidaan pidentää tuotetta paksuntamalla. Vanhenemisalttiille tuotteille voit levittää pinnalle hyvän säänkestävän pinnoitekerroksen tai yhdistää hyvän säänkestävän kerroksen tuotteen ulkokerrokseen suojakerroksen kiinnittämiseksi tuotteen pintaan. tuote. Hidasta ikääntymisprosessia.
2. Paranna käsittelytekniikkaa
Monilla materiaaleilla on myös ikääntymisongelmia synteesin tai valmistusprosessin aikana. Esimerkiksi lämmön vaikutus polymeroinnin aikana, terminen hapen vanheneminen prosessoinnin aikana jne. Vastaavasti hapen vaikutusta voidaan lieventää lisäämällä hapenpoistolaitetta tai tyhjiölaitetta polymeroinnin tai käsittelyn aikana. Tämä menetelmä voi kuitenkin taata materiaalin suorituskyvyn vain, kun se lähtee tehtaalta, ja tämä menetelmä voidaan toteuttaa vain materiaalin valmistelusta käsin, eikä se voi ratkaista ikääntymisongelmaa sen uudelleenkäsittelyn ja käytön aikana.
3. Polymeerimateriaalien rakennesuunnittelu tai muuntaminen
Monet polymeerimateriaalit sisältävät ryhmiä, jotka ovat erittäin herkkiä ikääntymiselle molekyylirakenteessaan. Siksi materiaalin molekyylirakenteen suunnittelun kautta voidaan usein saada hyviä tuloksia korvaamalla ikääntymiselle alttiita ryhmiä ryhmillä, jotka eivät ole alttiita ikääntymiselle. Tai funktionaalisia ryhmiä tai rakenteita, joilla on ikääntymistä estäviä vaikutuksia, voidaan tuoda polymeeriketjuun oksastamalla tai kopolymeroimalla, mikä antaa materiaalille itselleen erinomaiset ikääntymistä estävät toiminnot. Tämä on myös tutkijoiden usein käyttämä menetelmä, mutta hinta on suhteellisen korkea. Laajaa, laajamittaista tuotantoa ja sovellusta ei voida saavuttaa toistaiseksi.
4. Lisää ikääntymistä estäviä lisäaineita
Tällä hetkellä tehokas ja yleinen tapa parantaa polymeerimateriaalien ikääntymisenkestävyyttä on lisätä ikääntymistä estäviä lisäaineita, joita käytetään laajalti alhaisten kustannustensa ja olemassa olevien tuotantoprosessien muutosten puuttumisen vuoksi. On kaksi päätapaa lisätä näitä ikääntymistä estäviä lisäaineita:
Lisäaineiden suora lisäysmenetelmä: toisin sanoen ikääntymistä estävä lisäaine (jauhe tai neste) sekoitetaan suoraan raaka-aineiden, kuten hartsin, kanssa ja ekstrudoidaan sitten rakeistamista tai ruiskuvalua varten jne. Koska tämä lisäysmenetelmä on yksinkertainen ja helppo toteuttaa, se on laajalti käytössä useimmissa pelletointi- ja ruiskuvalutehtaissa.
Anti-aging masterbatch -lisäysmenetelmä: Valmistajat, joilla on korkeammat vaatimukset tuotteen laadulle ja laadun stabiiliudelle, käyttävät useammin menetelmää lisätä ikääntymistä estävää masterbatchia tuotannon aikana. Vanhenemista estävä perusseos saadaan käyttämällä sopivaa hartsia kantajana, sekoitettuna useisiin tehokkaisiin ikääntymistä estäviin lisäaineisiin ja sitten yhteisekstrudoitu ja rakeistettu kaksoisruuviekstruuderilla. Sen käyttöetu on ikääntymistä estävien lisäaineiden käyttö masterbatch-valmistusprosessissa. Ensinnäkin saavutetaan esidispersio, ja sitten myöhemmässä materiaalinkäsittelyprosessissa ikääntymistä estävät lisäaineet dispergoidaan toissijaisesti, jolloin saavutetaan lisäaineiden tasainen dispergointi polymeerimateriaalimatriisiin, mikä ei ainoastaan takaa materiaalin laadun pysyvyyttä. tuote, mutta myös Se välttää pölysaastetta tuotannon aikana, mikä tekee tuotannosta vihreämpää ja ympäristöystävällisempää.