Verouderingstypes, verouderingstesten en anti-verouderingsmethoden van polymeermaterialen
01 Huidige status van de ontwikkeling van polymere materialen
Polymeermaterialen worden vanwege hun uitstekende eigenschappen, zoals licht gewicht, hoge sterkte, temperatuurbestendigheid en corrosiebestendigheid, nu op grote schaal gebruikt op veel gebieden, zoals hoogwaardige productie, elektronische informatie, transport, energiebesparing in gebouwen, ruimtevaart en nationale defensie- en militaire industrie. een grote rol gespeeld.
Het is niet alleen een belangrijke basisindustrie van de nationale economie, maar ook een toonaangevende industrie van het land;
Het is niet alleen een strategische opkomende industrie in de petrochemische industrie, maar ook een belangrijk ondersteunend materiaal voor strategische opkomende industrieën zoals elektronische informatie, ruimtevaart, nationale defensie en nieuwe energie;
Het heeft niet alleen een hoog technologisch gehalte en een hoge toegevoegde waarde, het is ook een belangrijke richting voor de transformatie en modernisering van de petrochemische industrie.
Daarom zijn polymere materialen altijd een ontwikkelingsgebied geweest waar ontwikkelde landen en multinationale bedrijven veel belang aan hechten. Dit biedt niet alleen een brede marktruimte voor de nieuwe polymeermaterialenindustrie, maar stelt ook hogere eisen aan de kwaliteitsprestaties, het betrouwbaarheidsniveau en de ondersteuningsmogelijkheden.
Daarom heeft de manier waarop de functies van polymeermateriaalproducten kunnen worden gemaximaliseerd, gebaseerd op de principes van energiebesparing, koolstofarme en ecologische ontwikkeling, steeds meer aandacht getrokken. Veroudering is een belangrijke factor die de betrouwbaarheid en duurzaamheid van polymeermaterialen beïnvloedt.
02 Verouderende soorten polymeermaterialen
Tijdens de verwerking, opslag en gebruik van polymere materialen gaan hun eigenschappen, als gevolg van de gecombineerde effecten van interne en externe factoren, geleidelijk achteruit en verliezen uiteindelijk hun gebruikswaarde. Dit fenomeen behoort tot de veroudering van polymeermaterialen.
Dit veroorzaakt niet alleen een verspilling van hulpbronnen, maar kan zelfs leiden tot grotere ongelukken als gevolg van functionele storingen, en de afbraak van materialen als gevolg van veroudering kan ook het milieu vervuilen.
Door verschillende soorten polymeren en verschillende gebruiksomstandigheden hebben ze verschillende verouderingsverschijnselen en kenmerken. Over het algemeen kan de veroudering van polymeermaterialen worden ingedeeld in de volgende vier soorten veranderingen:
1. Veranderingen in uiterlijk
Het verschijnen van vlekken, vlekken, strepen, scheuren, bloei, verkrijting, plakkerigheid, kromtrekken, visogen, kreukels, krimp, verschroeiing, optische vervorming en veranderingen in optische kleur.
2. Veranderingen in fysieke eigenschappen
Inclusief veranderingen in oplosbaarheid, zwelling, reologische eigenschappen, koudebestendigheid, hittebestendigheid, waterdoorlaatbaarheid, luchtdoorlaatbaarheid en andere eigenschappen.
3. Veranderingen in mechanische eigenschappen
Veranderingen in treksterkte, buigsterkte, schuifsterkte, slagsterkte, relatieve rek, spanningsrelaxatie en andere eigenschappen.
4. Veranderingen in elektrische eigenschappen
Zoals veranderingen in oppervlakteweerstand, volumeweerstand, diëlektrische constante, elektrische doorslagsterkte, enz.
03 Factoren die de veroudering van polymeermaterialen veroorzaken
1. Macroanalyse
Omdat polymeren tijdens de verwerking en het gebruik ervan onderhevig zullen zijn aan de gecombineerde effecten van omgevingsfactoren zoals hitte, zuurstof, water, licht, micro-organismen en chemische media. Hun chemische samenstelling en structuur zullen een reeks veranderingen ondergaan, en hun fysische eigenschappen zullen dienovereenkomstig ook veranderen. Verslechtering, zoals hardheid, plakkerigheid, broosheid, verkleuring, krachtverlies, enz. Deze veranderingen en verschijnselen worden veroudering genoemd.
2. Microscopische analyse
Hoogmoleculaire polymeren zullen moleculen in aangeslagen toestand vormen onder invloed van warmte of licht. Wanneer de energie hoog genoeg is, zullen de moleculaire ketens breken en vrije radicalen vormen. De vrije radicalen kunnen kettingreacties in het polymeer vormen, afbraak blijven veroorzaken en verknoping veroorzaken.
Als er zuurstof of ozon in het milieu aanwezig is, zal een reeks oxidatiereacties worden geïnduceerd om hydroperoxiden (ROOH) te vormen, die verder zullen ontleden in carbonylgroepen.
Als er resterende katalysatormetaalionen in het polymeer zitten, of metaalionen zoals koper, ijzer, mangaan, kobalt, etc. worden geïntroduceerd tijdens verwerking en gebruik, zal de oxidatieve afbraakreactie van het polymeer worden versneld.
04 Verouderingstest
Bij de ontwikkeling of verbetering van nieuwe materialen zijn verouderingstests vereist om hun levensduur of anti-verouderingseffect te verifiëren. Veel voorkomende verouderingstesten omvatten natuurlijke veroudering en versnelde veroudering in het laboratorium.
1. Natuurlijke veroudering
Natuurlijke veroudering is het rechtstreeks blootstellen van het materiaalmonster aan de natuurlijke omgeving. Meestal wordt het monster onder een bepaalde hoek op het belichtingsrek geïnstalleerd. Gangbare belichtingshoeken zijn 5 graden, 45 graden en 90 graden. Relevante testnormen zijn onder meer ISO 877 Plastics - Methods of exposure to solarradiation; ISO2810 Verven en vernissen - Natuurlijke verwering van coatings - Blootstelling en beoordeling; ASTMG7 Standaardpraktijk voor het testen van atmosferische omgevingsblootstelling van niet-metalen materialen, enz.
De testmethode voor natuurlijke veroudering is eenvoudig en goedkoop, maar de testcyclus is te lang, wat de optimalisatievoortgang van het productontwerp beïnvloedt. Omdat het om een natuurlijke omgeving gaat en de klimaatomstandigheden niet kunnen worden gecontroleerd, is de keuze van de testlocatie bovendien bijzonder belangrijk om de reproduceerbaarheid van de testresultaten te garanderen. De Verenigde Staten hebben in 1931 een natuurlijk klimaatveld in Zuid-Florida aangelegd, een standaardveld voor blootstelling aan warm en vochtig klimaat in de Verenigde Staten. De testlocatie in centraal Arizona is een standaardlocatie voor blootstelling aan droge hitte. De Turpan-blootstellingstestlocatie van het National Motor Vehicle Product Quality Supervision and Inspection Center van mijn land is ook een typische blootstellingslocatie voor droge en warme klimaten. De maximale temperatuur in het Turpan-gebied van mei tot augustus ligt boven de 40 graden, de extreme maximumtemperatuur is 49,6 graden en de gemiddelde jaarlijkse neerslag bedraagt slechts 8 mm. Het blootstellingsveld in Qionghai, Hainan, kent typische warme en vochtige klimaatomstandigheden. De jaarlijkse gemiddelde temperatuur is 27,4 graden en de gemiddelde jaarlijkse neerslag bedraagt maar liefst 2134 mm.
2. Versnelde veroudering in het laboratorium
Om de testcyclus te versnellen en sneller verouderingsgegevens te verkrijgen, gebruikt het laboratorium meestal kunstmatige lichtbronnen om zonnestraling te simuleren, verschillende temperatuur-, vochtigheids- en regenomstandigheden aan te passen, enz., en kan het verschillende natuurlijke klimaten simuleren.
1) Selectie van lichtbron
Veelgebruikte kunstmatige lichtbronnen zijn onder meer xenonbooglampen, metaalhalogenidelampen en ultraviolette fluorescentielampen. UV-fluorescentielampen kunnen zonlicht zeer goed simuleren in het middengolf-UV- en kortegolf-UV-bereik. Xenonbooglampen en metaalhalogenidelampen kunnen zonlicht zeer goed in het volledige spectrum simuleren. Daarom kunnen testkamers die xenonlampen en metaalhalogenidelampen als lichtbronnen gebruiken, zonlichtstraling goed simuleren, terwijl verouderingskamers die fluorescerende ultraviolette lampen gebruiken niet bedoeld zijn om zonlicht te imiteren, maar alleen het verouderingseffect van zonlicht te simuleren. Daarnaast zijn er verouderingsboxen op de markt die koolbooglampen als lichtbron gebruiken. Het koolstofboogspectrum heeft echter geen goede correlatie met het zonlichtspectrum, en het gebruik van koolstofbooglamptests is om historische redenen.
2) Relevantie van versnelde veroudering
Correlatie verwijst naar de mate van consistentie tussen de versnelde verouderingsresultaten in het laboratorium en de verouderingsresultaten van het materiaal in de daadwerkelijke gebruiksomgeving. Alleen wanneer de versnelde verouderingstest relevant is, kan deze de weersbestendigheid van het materiaal echt weerspiegelen en de levensduur van het materiaal echt voorspellen. Onredelijk versneld testen zal de relevantie van de test verminderen en zelfs zijn betekenis verliezen.
3) De ontwikkelingstrend van versnelde veroudering in laboratoria
Zoals in het begin vermeld, omvatten de beïnvloedende factoren van materiaalveroudering zonnestraling, temperatuur, water en andere factoren. De veroudering van materialen is het resultaat van de gezamenlijke werking van deze factoren, maar het is geen simpele superpositie van de effecten van verschillende factoren. Er moet ook rekening worden gehouden met de synergie daartussen. Daarom kan een uitgebreidere simulatie van de daadwerkelijke gebruiksomgeving van het materiaal tot betere relevante resultaten leiden. Volgens de ISO 20340-norm is de test bijvoorbeeld gebaseerd op een cyclus van 7 dagen. Op de 1e tot en met de 3e dag wordt een UV-test met een licht- en donkercyclus uitgevoerd volgens ISO 11507. Op de 4e tot en met de 6e dag wordt een zoutsproeitest uitgevoerd volgens ISO 9227. Op de 7e dag ({{9} } Lage temperatuurtest van ±2) graad. Vergeleken met de traditionele weerbestendigheidstest integreert deze meer verouderingsbeïnvloedende factoren en komt deze beter overeen met de werkelijke gebruiksomstandigheden van het materiaal, zodat deze de werkelijke veroudering van het materiaal beter kan weerspiegelen. We weten dat schimmels, ozonconcentraties, etc. allemaal een belangrijke invloed hebben op de veroudering van plastic producten. Het integreren van meer verouderingsfactoren in het testen zal een van de ontwikkelingsrichtingen zijn van versnelde veroudering in laboratoria.
05 Methoden voor het tegengaan van veroudering van polymeermaterialen
Momenteel zijn de belangrijkste methoden om de antiverouderingseigenschappen van polymeermaterialen te verbeteren en te versterken de volgende:
1. Fysieke bescherming (zoals verdikking, verven, compounderen van de buitenlaag, enz.)
De veroudering van polymere materialen, vooral foto-zuurstofveroudering, begint eerst vanaf het oppervlak van het materiaal of product en manifesteert zich als verkleuring, verpoedering, barsten, glansverlies, enz., en dringt vervolgens geleidelijk dieper door in het interieur. Dunne producten hebben een grotere kans om voortijdig te falen dan dikke producten, dus de levensduur van het product kan worden verlengd door het product te verdikken. Voor producten die gevoelig zijn voor veroudering kunt u een laag coating met goede weersbestendigheid op het oppervlak aanbrengen, of een laag materiaal met goede weersbestendigheid op de buitenste laag van het product aanbrengen om een beschermende laag op het oppervlak van het product te bevestigen. Product. Vertraag het verouderingsproces.
2. Verbeter de verwerkingstechnologie
Veel materialen hebben ook verouderingsproblemen tijdens het synthese- of bereidingsproces. Bijvoorbeeld de invloed van warmte tijdens polymerisatie, thermische zuurstofveroudering tijdens verwerking, enz. Dienovereenkomstig kan de impact van zuurstof worden verzacht door het toevoegen van een zuurstofverwijderingsapparaat of een vacuümapparaat tijdens polymerisatie of verwerking. Deze methode kan echter alleen de prestaties van het materiaal garanderen wanneer het de fabriek verlaat, en deze methode kan alleen worden geïmplementeerd vanuit de bron van de materiaalvoorbereiding en kan het verouderingsprobleem tijdens de herverwerking en het gebruik ervan niet oplossen.
3. Structureel ontwerp of wijziging van polymeermaterialen
Veel polymeermaterialen bevatten groepen die zeer gevoelig zijn voor veroudering in hun moleculaire structuur. Daarom kan het vervangen van de groepen die gevoelig zijn voor veroudering door groepen die niet gevoelig zijn voor veroudering, door het ontwerp van de moleculaire structuur van het materiaal vaak goede resultaten opleveren. Of functionele groepen of structuren met anti-verouderingseffecten kunnen in de polymeerketen worden geïntroduceerd door middel van enten of copolymerisatie, waardoor het materiaal zelf uitstekende anti-verouderingsfuncties krijgt. Dit is ook een methode die veel door onderzoekers wordt gebruikt, maar de kosten zijn relatief hoog. Hoge, grootschalige productie en toepassing zijn voorlopig niet haalbaar.
4. Voeg antiverouderingsadditieven toe
Momenteel is een effectieve en gebruikelijke manier om de verouderingsbestendigheid van polymeermaterialen te verbeteren het toevoegen van antiverouderingsadditieven, die op grote schaal worden gebruikt vanwege hun lage kosten en de afwezigheid van veranderingen in bestaande productieprocessen. Er zijn twee manieren om deze antiverouderingsadditieven toe te voegen:
Directe toevoegingsmethode van additieven: dat wil zeggen dat het antiverouderingsadditief (poeder of vloeistof) direct wordt gemengd en geroerd met grondstoffen zoals hars, en vervolgens wordt geëxtrudeerd voor granulatie of spuitgieten, enz. Omdat deze toevoegingsmethode eenvoudig en gemakkelijk is Om te implementeren wordt het op grote schaal gebruikt door de meeste pelletiseer- en spuitgietfabrieken.
Anti-aging masterbatch toevoegingsmethode: Fabrikanten met hogere eisen aan productkwaliteit en kwaliteitsstabiliteit gebruiken vaker de methode van het toevoegen van anti-aging masterbatch tijdens de productie. Anti-verouderingsmasterbatch wordt verkregen door een geschikte hars als drager te gebruiken, gemengd met een verscheidenheid aan efficiënte anti-verouderingsadditieven, en vervolgens gecoëxtrudeerd en gegranuleerd door een dubbelschroefsextruder. Het toepassingsvoordeel ligt in het gebruik van antiverouderingsadditieven in het masterbatch-bereidingsproces. Ten eerste wordt pre-dispersie bereikt en vervolgens worden in het latere materiaalverwerkingsproces de anti-verouderingsadditieven secundair gedispergeerd, waardoor het doel van een uniforme dispersie van de additieven in de polymeermateriaalmatrix wordt bereikt, wat niet alleen de kwaliteitsstabiliteit van de materialen garandeert. product, maar ook Het vermijdt stofvervuiling tijdens de productie, waardoor de productie groener en milieuvriendelijker wordt.