Tipus d'envelliment, proves d'envelliment i mètodes anti-envelliment dels materials polimèrics
01 Estat actual del desenvolupament dels materials polimèrics
Els materials polimèrics, a causa de les seves excel·lents propietats, com ara pes lleuger, alta resistència, resistència a la temperatura i resistència a la corrosió, s'utilitzen àmpliament en molts camps, com ara la fabricació d'alta gamma, la informació electrònica, el transport, la conservació d'energia dels edificis, l'aeroespacial i nacional. indústries de defensa i militars. va tenir un paper important.
No només és una indústria bàsica important de l'economia nacional, sinó també una indústria líder del país;
No només és una indústria emergent estratègica en la indústria petroquímica, sinó també un important material de suport per a indústries emergents estratègiques com la informació electrònica, l'aeroespacial, la defensa nacional i les noves energies;
No només té un alt contingut tecnològic i un alt valor afegit, sinó que també és una direcció important per a la transformació i actualització de la indústria petroquímica.
Per tant, els materials polimèrics sempre han estat una àrea de desenvolupament a la qual els països desenvolupats i les empreses multinacionals donen molta importància. Això no només ofereix un ampli espai de mercat per a la nova indústria de materials polimèrics, sinó que també planteja requisits més elevats pel que fa al seu rendiment de qualitat, nivell de fiabilitat i capacitat de suport.
Per tant, com maximitzar les funcions dels productes de materials polimèrics basats en els principis de conservació d'energia, baix carboni i desenvolupament ecològic ha cridat cada cop més l'atenció. L'envelliment és un factor important que afecta la fiabilitat i la durabilitat dels materials polímers.
02 Tipus d'envelliment de materials polimèrics
Durant el processament, l'emmagatzematge i l'ús de materials polimèrics, a causa dels efectes combinats de factors interns i externs, les seves propietats es deterioren gradualment i finalment perden el seu valor d'ús. Aquest fenomen pertany a l'envelliment dels materials polimèrics.
Això no només provoca un malbaratament de recursos, sinó que fins i tot pot provocar accidents més grans per fallada funcional, i la descomposició dels materials causada per l'envelliment també pot contaminar el medi ambient.
A causa de diferents tipus de polímers i de diferents condicions d'ús, tenen diferents fenòmens i característiques d'envelliment. En general, l'envelliment dels materials polimèrics es pot classificar en els quatre tipus de canvis següents:
1. Canvis d'aspecte
L'aparició de taques, taques, ratlles, esquerdes, floració, guix, enganxós, deformació, ulls de peix, arrugues, contracció, cremades, distorsió òptica i canvis de color òptic.
2. Canvis en les propietats físiques
Inclou canvis en la solubilitat, inflor, propietats reològiques, resistència al fred, resistència a la calor, permeabilitat a l'aigua, permeabilitat a l'aire i altres propietats.
3. Canvis en les propietats mecàniques
Canvis en la resistència a la tracció, la resistència a la flexió, la resistència al tall, la resistència a l'impacte, l'allargament relatiu, la relaxació de l'estrès i altres propietats.
4. Canvis en les propietats elèctriques
Com ara els canvis en la resistència superficial, la resistència al volum, la constant dielèctrica, la resistència a la ruptura elèctrica, etc.
03 Factors que causen l'envelliment dels materials polimèrics
1. Anàlisi macro
Perquè durant el processament i l'ús dels polímers, estaran subjectes als efectes combinats de factors ambientals com la calor, l'oxigen, l'aigua, la llum, els microorganismes i els mitjans químics. La seva composició i estructura química experimentaran una sèrie de canvis, i les seves propietats físiques també canviaran en conseqüència. Deteriorament, com ara duresa, enganxós, fragilitat, decoloració, pèrdua de resistència, etc. Aquests canvis i fenòmens s'anomenen envelliment.
2. Anàlisi microscòpica
Els polímers d'alt nivell molecular formaran molècules en estat excitat sota l'acció de la calor o la llum. Quan l'energia és prou alta, les cadenes moleculars es trencaran per formar radicals lliures. Els radicals lliures poden formar reaccions en cadena dins del polímer, continuar provocant la degradació i poden causar reticulació.
Si hi ha oxigen o ozó al medi ambient, s'induiran una sèrie de reaccions d'oxidació per formar hidroperòxids (ROOH), que es descompondran encara més en grups carbonil.
Si hi ha ions metàl·lics catalitzadors residuals al polímer, o s'introdueixen ions metàl·lics com ara coure, ferro, manganès, cobalt, etc. durant el processament i l'ús, la reacció de degradació oxidativa del polímer s'accelerarà.
04 Prova d'envelliment
En el desenvolupament o la millora de nous materials, per verificar la seva vida útil o efecte anti-envelliment, es requereixen proves d'envelliment. Les proves d'envelliment habituals inclouen l'envelliment natural i l'envelliment accelerat de laboratori.
1.Envelliment natural
L'envelliment natural consisteix a exposar la mostra material directament al medi natural. Normalment, la mostra s'instal·la al bastidor d'exposició amb un angle determinat. Els angles d'exposició habituals són 5 graus, 45 graus i 90 graus. Els estàndards de prova rellevants inclouen la ISO 877 Plàstics - Mètodes d'exposició a la radiació solar; ISO2810 Pintures i vernissos - Intempèrie natural dels recobriments - Exposició i avaluació; Pràctica estàndard ASTMG7 per a les proves d'exposició ambiental atmosfèrica de materials no metàl·lics, etc.
El mètode de prova d'envelliment natural és senzill i de baix cost, però el seu cicle de prova és massa llarg, cosa que afecta el progrés d'optimització del disseny del producte. A més, com que es tracta d'un entorn natural i les condicions climàtiques no es poden controlar, per tal de garantir la reproductibilitat dels resultats de la prova, la selecció del lloc de prova és especialment important. Els Estats Units van establir un camp de clima natural al sud de Florida l'any 1931, que és un camp d'exposició al clima càlid i humit estàndard als Estats Units. El lloc de prova establert al centre d'Arizona és un lloc estàndard d'exposició a la calor seca. El lloc de proves d'exposició a Turpan del centre nacional de supervisió i inspecció de la qualitat del producte de vehicles de motor del meu país també és un lloc típic d'exposició al clima sec i càlid. La temperatura màxima a la zona de Turpan de maig a agost és superior als 40 graus, la temperatura màxima extrema és de 49,6 graus i la precipitació mitjana anual és de només 8 mm. El camp d'exposició a Qionghai, Hainan, té condicions climàtiques típiques de calor i humit. La temperatura mitjana anual és de 27,4 graus i la precipitació mitjana anual és de fins a 2134 mm.
2. Envelliment accelerat al laboratori
Per tal d'accelerar el cicle de prova i obtenir dades d'envelliment més ràpidament, el laboratori sol utilitzar fonts de llum artificial per simular la radiació solar, fer coincidir diferents condicions de temperatura, humitat i pluja, etc., i pot simular diversos climes naturals.
1) Selecció de la font de llum
Les fonts de llum artificial que s'utilitzen habitualment inclouen les làmpades d'arc de xenó, les làmpades d'halogenur metàl·lic i les làmpades fluorescents ultravioletes. Les làmpades fluorescents UV poden simular molt bé la llum solar en els rangs d'UV d'ona mitjana i d'ona curta. Les làmpades d'arc de xenó i les làmpades d'halogenur metàl·lic poden simular molt bé la llum solar en tot l'espectre. Per tant, les cambres de prova que utilitzen làmpades de xenó i làmpades d'halogenur metàl·lic com a fonts de llum poden simular bé la radiació solar, mentre que les cambres d'envelliment que utilitzen làmpades ultravioletes fluorescents no estan pensades per imitar la llum solar, sinó que només simulen l'efecte d'envelliment de la llum solar. A més, hi ha caixes d'envelliment al mercat que utilitzen llums d'arc de carboni com a font de llum. Tanmateix, l'espectre de l'arc de carboni no té una bona correlació amb l'espectre de la llum solar, i l'ús de proves de làmpades d'arc de carboni és per raons històriques.
2) Rellevància de l'envelliment accelerat
La correlació fa referència al grau de coherència entre els resultats d'envelliment accelerat al laboratori i els resultats d'envelliment del material en l'entorn d'ús real. Només quan la prova d'envelliment accelerat és rellevant, pot reflectir realment la resistència a la intempèrie del material i predir realment la vida útil del material. Les proves accelerades no raonables reduiran la rellevància de la prova i fins i tot perdran el seu significat.
3) La tendència de desenvolupament de l'envelliment accelerat als laboratoris
Com s'ha esmentat al principi, els factors que influeixen en l'envelliment dels materials inclouen la radiació solar, la temperatura, l'aigua i altres factors. L'envelliment dels materials és el resultat de l'acció conjunta d'aquests factors, però no és una simple superposició dels efectes de diversos factors. També cal tenir en compte la sinergia entre ells. Per tant, una simulació més completa de l'entorn d'ús real del material pot conduir a millors resultats rellevants. Per exemple, segons la norma ISO 20340, la prova es basa en un cicle de 7 dies. Del 1r al 3r dia, es realitza una prova d'UV amb un cicle de llum i foscor segons ISO 11507. Del 4t al 6è dia, es realitza una prova de polvorització de sal segons ISO 9227. El 7è dia ({{9} } Prova de baixa temperatura de ±2) graus. En comparació amb la prova de resistència a la intempèrie tradicional, integra més factors que influeixen en l'envelliment i s'ajusta més a les condicions reals d'ús del material, de manera que pot reflectir millor l'envelliment real del material. Sabem que la floridura, la concentració d'ozó, etc. tenen un impacte important en l'envelliment dels productes plàstics. Com integrar més factors d'envelliment en les proves serà una de les direccions de desenvolupament de l'envelliment accelerat als laboratoris.
05 Mètodes d'anti-envelliment de materials polimèrics
Actualment, els principals mètodes per millorar i millorar les propietats anti-envelliment dels materials polimèrics inclouen els següents:
1. Protecció física (com ara engrossiment, pintura, composició de la capa exterior, etc.)
L'envelliment dels materials polimèrics, especialment l'envelliment del fotooxigen, s'inicia primer des de la superfície del material o producte, manifestant-se com a decoloració, pols, esquerdes, pèrdua de brillantor, etc., i després penetra gradualment a l'interior. És més probable que els productes prims fallin prematurament que els productes gruixuts, de manera que la vida útil del producte es pot allargar espessint el producte. Per als productes que són propensos a l'envelliment, podeu aplicar una capa de recobriment amb bona resistència a la intempèrie a la superfície o combinar una capa de material amb bona resistència a la intempèrie a la capa exterior del producte per unir una capa protectora a la superfície del producte. producte. Alentir el procés d'envelliment.
2. Millorar la tecnologia de processament
Molts materials també presenten problemes d'envelliment durant el procés de síntesi o preparació. Per exemple, la influència de la calor durant la polimerització, l'envelliment tèrmic de l'oxigen durant el processament, etc. En conseqüència, l'impacte de l'oxigen es pot mitigar afegint un dispositiu d'eliminació d'oxigen o un dispositiu de buit durant la polimerització o el processament. Tanmateix, aquest mètode només pot garantir el rendiment del material quan surt de la fàbrica, i aquest mètode només es pot implementar des de la font de preparació del material i no pot resoldre el problema d'envelliment durant el seu reprocessament i ús.
3. Disseny estructural o modificació de materials polimèrics
Molts materials polímers contenen grups que són molt susceptibles a l'envelliment en la seva estructura molecular. Per tant, mitjançant el disseny de l'estructura molecular del material, la substitució dels grups que són propensos a l'envelliment per grups que no són propensos a l'envelliment sovint pot aconseguir bons resultats. O bé, es poden introduir grups funcionals o estructures amb efectes anti-envelliment a la cadena del polímer mitjançant empelt o copolimerització, donant al propi material excel·lents funcions anti-envelliment. Aquest també és un mètode utilitzat sovint pels investigadors, però el cost és relativament elevat. De moment, no es poden aconseguir una producció i una aplicació elevada i a gran escala.
4. Afegiu additius anti-envelliment
Actualment, una manera eficaç i habitual de millorar la resistència a l'envelliment dels materials polímers és afegir additius antienvelliment, que s'utilitzen àmpliament pel seu baix cost i l'absència de canvis en els processos de producció existents. Hi ha dues maneres principals d'afegir aquests additius antienvelliment:
Mètode d'addició directa d'additius: és a dir, l'additiu anti-envelliment (en pols o líquid) es barreja directament i s'agita amb matèries primeres com la resina, i després s'extrudeix per a la granulació o el modelat per injecció, etc. Perquè aquest mètode d'addició és senzill i fàcil. per implementar, és àmpliament utilitzat per la majoria de fàbriques de peletització i modelat per injecció.
Mètode d'addició de masterbatch anti-envelliment: els fabricants amb requisits més alts de qualitat del producte i estabilitat de la qualitat utilitzen més sovint el mètode d'afegir masterbatch anti-envelliment durant la producció. El masterbatch anti-envelliment s'obté utilitzant una resina adequada com a portador, barrejada amb una varietat d'additius anti-envelliment eficients, i després coextrusionat i granulat per una extrusora de doble cargol. El seu avantatge d'aplicació rau en l'ús d'additius anti-envelliment en el procés de preparació del masterbatch. En primer lloc, s'aconsegueix la pre-dispersió, i després en el procés de processament del material posterior, els additius anti-envelliment es dispersen secundàriament, aconseguint el propòsit de dispersió uniforme dels additius a la matriu del material polimèric, que no només garanteix l'estabilitat de la qualitat del producte, però també evita la contaminació per pols durant la producció, fent que la producció sigui més ecològica i respectuosa amb el medi ambient.