Typy starnutia, testy starnutia a metódy proti starnutiu polymérnych materiálov
01 Súčasný stav vývoja polymérnych materiálov
Polymérne materiály sa vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam, ako je nízka hmotnosť, vysoká pevnosť, teplotná odolnosť a odolnosť proti korózii, v súčasnosti široko používajú v mnohých oblastiach, ako je špičková výroba, elektronické informácie, doprava, úspora energie v budovách, letectvo a národné obranného a vojenského priemyslu. zohralo obrovskú úlohu.
Je nielen dôležitým základným odvetvím národného hospodárstva, ale aj popredným odvetvím krajiny;
Nejde len o strategické novovznikajúce odvetvie v petrochemickom priemysle, ale aj o dôležitý podporný materiál pre strategické novovznikajúce odvetvia, akými sú elektronické informácie, letectvo, národná obrana a nová energetika;
Má nielen vysoký technologický obsah a vysokú pridanú hodnotu, ale je aj dôležitým smerom pre transformáciu a modernizáciu petrochemického priemyslu.
Polymérne materiály boli preto vždy vývojovou oblasťou, ktorej vyspelé krajiny a nadnárodné spoločnosti pripisujú veľký význam. To nielenže poskytuje široký trhový priestor pre nový priemysel polymérnych materiálov, ale kladie aj vyššie požiadavky na jeho kvalitu, spoľahlivosť a možnosti podpory.
Čoraz viac pozornosti preto priťahuje to, ako maximalizovať funkcie produktov z polymérnych materiálov založených na princípoch úspory energie, nízkouhlíkového a ekologického rozvoja. Starnutie je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim spoľahlivosť a životnosť polymérnych materiálov.
02 Typy starnutia polymérnych materiálov
Pri spracovaní, skladovaní a používaní polymérnych materiálov sa vplyvom kombinovaného pôsobenia vnútorných a vonkajších faktorov ich vlastnosti postupne zhoršujú a nakoniec strácajú svoju úžitkovú hodnotu. Tento jav patrí k starnutiu polymérnych materiálov.
To spôsobuje nielen plytvanie zdrojmi, ale môže dokonca viesť k väčším nehodám v dôsledku funkčnej poruchy a rozklad materiálov spôsobený starnutím môže tiež znečisťovať životné prostredie.
V dôsledku rôznych typov polymérov a rôznych podmienok používania majú rôzne javy a vlastnosti starnutia. Vo všeobecnosti možno starnutie polymérnych materiálov rozdeliť do nasledujúcich štyroch typov zmien:
1. Zmeny vzhľadu
Výskyt škvŕn, škvŕn, pruhov, prasklín, kvitnutia, kriedovania, lepkavosti, deformácie, rybích ôk, vrások, zmrštenia, pripálenia, optického skreslenia a zmeny optickej farby.
2. Zmeny fyzikálnych vlastností
Vrátane zmien rozpustnosti, napučiavania, reologických vlastností, odolnosti voči chladu, tepelnej odolnosti, priepustnosti vody, priepustnosti vzduchu a ďalších vlastností.
3. Zmeny mechanických vlastností
Zmeny pevnosti v ťahu, pevnosti v ohybe, pevnosti v šmyku, rázovej pevnosti, relatívneho predĺženia, uvoľnenia napätia a ďalších vlastností.
4. Zmeny elektrických vlastností
Ako sú zmeny povrchového odporu, objemového odporu, dielektrickej konštanty, elektrickej prieraznej sily atď.
03 Faktory spôsobujúce starnutie polymérnych materiálov
1. Makroanalýza
Pretože počas spracovania a používania polymérov budú vystavené kombinovaným účinkom environmentálnych faktorov, ako je teplo, kyslík, voda, svetlo, mikroorganizmy a chemické médiá. Ich chemické zloženie a štruktúra prejde radom zmien a podľa toho sa zmenia aj ich fyzikálne vlastnosti. Zhoršenie, ako je tvrdosť, lepivosť, krehkosť, zmena farby, strata pevnosti atď. Tieto zmeny a javy sa nazývajú starnutie.
2. Mikroskopická analýza
Vysokomolekulárne polyméry vytvoria molekuly excitovaného stavu pôsobením tepla alebo svetla. Keď je energia dostatočne vysoká, molekulárne reťazce sa rozbijú za vzniku voľných radikálov. Voľné radikály môžu vytvárať reťazové reakcie vo vnútri polyméru, naďalej spôsobovať degradáciu a môžu spôsobiť zosieťovanie.
Ak je v prostredí prítomný kyslík alebo ozón, vyvolá sa séria oxidačných reakcií za vzniku hydroperoxidov (ROOH), ktoré sa budú ďalej rozkladať na karbonylové skupiny.
Ak sú v polyméri zvyškové ióny katalyzátorových kovov, alebo ak sa počas spracovania a použitia zavedú kovové ióny, ako je meď, železo, mangán, kobalt atď., oxidačná degradačná reakcia polyméru sa urýchli.
04 Test starnutia
Pri vývoji alebo zlepšovaní nových materiálov, aby sa overila ich životnosť alebo účinok proti starnutiu, je potrebné testovanie starnutia. Bežné testy starnutia zahŕňajú prirodzené starnutie a laboratórne zrýchlené starnutie.
1.Prirodzené starnutie
Prirodzené starnutie znamená vystavenie vzorky materiálu priamo prirodzenému prostrediu. Zvyčajne sa vzorka inštaluje na expozičný stojan pod určitým uhlom. Bežné expozičné uhly sú 5 stupňov, 45 stupňov a 90 stupňov. Príslušné testovacie normy zahŕňajú ISO 877 Plasty – Metódy vystavenia slnečnému žiareniu; ISO2810 Farby a laky – Prirodzené zvetrávanie náterov – Expozícia a hodnotenie; Štandardná prax ASTMG7 na testovanie nekovových materiálov vystavením atmosférickému prostrediu atď.
Metóda testovania prirodzeného starnutia je jednoduchá a lacná, ale jej testovací cyklus je príliš dlhý, čo ovplyvňuje pokrok pri optimalizácii dizajnu produktu. Navyše, keďže ide o prirodzené prostredie a klimatické podmienky nemožno kontrolovať, aby sa zabezpečila reprodukovateľnosť výsledkov testov, výber testovacieho miesta je obzvlášť dôležitý. Spojené štáty americké založili na južnej Floride v roku 1931 prírodné klimatické pole, ktoré je štandardným poľom vystavenia horúcemu a vlhkému podnebiu v Spojených štátoch. Testovacie miesto zriadené v centrálnej Arizone je štandardným miestom vystavenia suchému teplu. Miesto na testovanie expozície Turpan v Národnom stredisku pre dohľad a kontrolu kvality výrobkov motorových vozidiel v mojej krajine je tiež typickým miestom vystavenia suchému a horúcemu podnebiu. Maximálna teplota v oblasti Turpan od mája do augusta je nad 40 stupňov, extrémna maximálna teplota je 49,6 stupňov a priemerný ročný úhrn zrážok je len 8 mm. Expozičné pole v Qionghai, Hainan má typické horúce a vlhké klimatické podmienky. Priemerná ročná teplota je 27,4 stupňa a priemerný ročný úhrn zrážok je až 2134 mm.
2. Zrýchlené starnutie v laboratóriu
Aby sa urýchlil testovací cyklus a rýchlejšie sa získali údaje o starnutí, laboratórium zvyčajne používa umelé zdroje svetla na simuláciu slnečného žiarenia, prispôsobenie rôznym teplotným, vlhkostným a dažďovým podmienkam atď. a môže simulovať rôzne prírodné podnebie.
1) Výber svetelného zdroja
Bežne používané zdroje umelého svetla zahŕňajú xenónové oblúkové výbojky, halogenidové výbojky a ultrafialové žiarivky. UV žiarivky dokážu veľmi dobre simulovať slnečné svetlo v strednovlnnom UV a krátkovlnnom UV rozsahu. Xenónové oblúkové výbojky a metalhalogenidové výbojky dokážu veľmi dobre simulovať slnečné svetlo v celom spektre. Preto testovacie komory, ktoré používajú xenónové výbojky a metalhalogenidové výbojky ako zdroje svetla, môžu dobre simulovať slnečné žiarenie, zatiaľ čo starnúce komory, ktoré používajú fluorescenčné ultrafialové lampy, nie sú určené na napodobňovanie slnečného svetla, ale iba na simuláciu starnutia slnečného žiarenia. Okrem toho sú na trhu starnúce boxy, ktoré ako zdroj svetla používajú uhlíkové oblúkové lampy. Spektrum uhlíkového oblúka však nemá dobrú koreláciu so spektrom slnečného žiarenia a testovanie uhlíkových oblúkových lámp sa používa z historických dôvodov.
2) Význam zrýchleného starnutia
Korelácia sa týka stupňa konzistentnosti medzi výsledkami zrýchleného starnutia v laboratóriu a výsledkami starnutia materiálu v prostredí skutočného použitia. Iba vtedy, keď je test zrýchleného starnutia relevantný, môže skutočne odrážať odolnosť materiálu voči poveternostným vplyvom a skutočne predpovedať životnosť materiálu. Neprimerané zrýchlené testovanie zníži relevantnosť testu a dokonca stratí zmysel.
3) Trend vývoja zrýchleného starnutia v laboratóriách
Ako už bolo spomenuté na začiatku, medzi faktory ovplyvňujúce starnutie materiálu patrí slnečné žiarenie, teplota, voda a ďalšie faktory. Starnutie materiálov je výsledkom spoločného pôsobenia týchto faktorov, ale nejde o jednoduchú superpozíciu účinkov rôznych faktorov. Je potrebné zvážiť aj synergiu medzi nimi. Preto komplexnejšia simulácia skutočného prostredia použitia materiálu môže viesť k lepším relevantným výsledkom. Napríklad podľa normy ISO 20340 je test založený na cykle 7 dní. Na 1. až 3. deň sa vykoná UV test s cyklom svetla a tmy podľa ISO 11507. Na 4. až 6. deň sa vykoná test soľným postrekom podľa ISO 9227. Na 7. deň ({{9} } Test nízkej teploty ±2) stupňov . V porovnaní s tradičným testom odolnosti voči poveternostným vplyvom integruje viac faktorov ovplyvňujúcich starnutie a je viac v súlade so skutočnými podmienkami použitia materiálu, takže môže lepšie odrážať skutočné starnutie materiálu. Vieme, že plesne, koncentrácia ozónu atď. majú dôležitý vplyv na starnutie plastových výrobkov. Ako integrovať viac faktorov starnutia do testovania bude jedným z vývojových smerov zrýchleného starnutia v laboratóriách.
05 Metódy proti starnutiu polymérnych materiálov
V súčasnosti medzi hlavné metódy na zlepšenie a zlepšenie vlastností polymérnych materiálov proti starnutiu patria:
1. Fyzická ochrana (ako je zahusťovanie, maľovanie, kompaundovanie vonkajšej vrstvy atď.)
Starnutie polymérnych materiálov, najmä starnutie fotokyslíkom, začína najskôr od povrchu materiálu alebo výrobku, prejavuje sa odfarbením, púdrovaním, praskaním, stratou lesku a pod., a potom postupne preniká hlbšie do interiéru. Tenké výrobky majú väčšiu pravdepodobnosť predčasného zlyhania ako hrubé výrobky, takže životnosť výrobku možno predĺžiť zahustením výrobku. Pri výrobkoch, ktoré sú náchylné na starnutie, môžete na povrch naniesť vrstvu náteru s dobrou odolnosťou voči poveternostným vplyvom alebo na vonkajšiu vrstvu výrobku namiešať vrstvu materiálu s dobrou odolnosťou voči poveternostným vplyvom, aby ste na povrch pripevnili ochrannú vrstvu. produkt. Spomaliť proces starnutia.
2. Zlepšiť technológiu spracovania
Mnoho materiálov má tiež problémy so starnutím počas procesu syntézy alebo prípravy. Napríklad vplyv tepla počas polymerizácie, tepelného starnutia kyslíka počas spracovania atď. Vplyv kyslíka môže byť zodpovedajúcim spôsobom zmiernený pridaním zariadenia na odstraňovanie kyslíka alebo vákuového zariadenia počas polymerizácie alebo spracovania. Táto metóda však môže zaručiť výkonnosť materiálu len vtedy, keď opustí továreň, a táto metóda môže byť implementovaná iba zo zdroja prípravy materiálu a nemôže vyriešiť problém starnutia počas jeho opätovného spracovania a používania.
3. Konštrukčný návrh alebo modifikácia polymérnych materiálov
Mnohé polymérne materiály obsahujú vo svojej molekulárnej štruktúre skupiny, ktoré sú veľmi náchylné na starnutie. Preto prostredníctvom návrhu molekulárnej štruktúry materiálu, nahradenie skupín, ktoré sú náchylné na starnutie, skupinami, ktoré nie sú náchylné na starnutie, môže často dosiahnuť dobré výsledky. Alebo funkčné skupiny alebo štruktúry s účinkami proti starnutiu môžu byť zavedené do polymérneho reťazca prostredníctvom očkovania alebo kopolymerizácie, čo dáva samotnému materiálu vynikajúce funkcie proti starnutiu. Toto je tiež metóda často používaná výskumníkmi, ale cena je pomerne vysoká. Vysokú, veľkosériovú výrobu a aplikáciu zatiaľ nie je možné dosiahnuť.
4. Pridajte prísady proti starnutiu
V súčasnosti je účinným a bežným spôsobom zlepšenia odolnosti polymérových materiálov proti starnutiu pridávanie prísad proti starnutiu, ktoré sú široko používané kvôli ich nízkej cene a absencii zmien existujúcich výrobných procesov. Existujú dva hlavné spôsoby, ako pridať tieto prísady proti starnutiu:
Metóda priameho pridávania prísad: to znamená, že prísada proti starnutiu (prášok alebo kvapalina) sa priamo zmieša a mieša so surovinami, ako je živica, a potom sa extruduje na granuláciu alebo vstrekovanie atď. Pretože táto metóda pridávania je jednoduchá a ľahká na implementáciu je široko používaný vo väčšine závodov na výrobu peliet a vstrekovania.
Metóda pridávania predzmesi proti starnutiu: Výrobcovia s vyššími požiadavkami na kvalitu produktu a stabilitu kvality častejšie využívajú pri výrobe metódu pridávania predzmesi proti starnutiu. Predzmes proti starnutiu sa získa použitím vhodnej živice ako nosiča, zmiešanej s rôznymi účinnými prísadami proti starnutiu a potom sa koextruduje a granuluje pomocou dvojzávitovkového extrudéra. Jeho aplikačná výhoda spočíva v použití prísad proti starnutiu v procese prípravy predzmesi. Najprv sa dosiahne preddisperzia a potom sa v neskoršom procese spracovania materiálu sekundárne dispergujú prísady proti starnutiu, čím sa dosiahne účel rovnomernej disperzie prísad v matrici polymérneho materiálu, čo nielen zaisťuje stálosť kvality materiálu. Produkt, ale aj Zabraňuje znečisteniu prachom počas výroby, vďaka čomu je výroba ekologickejšia a šetrnejšia k životnému prostrediu.