Τύποι γήρανσης, δοκιμές γήρανσης και μέθοδοι αντιγήρανσης πολυμερών υλικών
01 Τρέχουσα κατάσταση ανάπτυξης πολυμερών υλικών
Τα πολυμερή υλικά, λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους όπως το μικρό βάρος, η υψηλή αντοχή, η αντοχή στη θερμοκρασία και η αντοχή στη διάβρωση, χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως σε πολλούς τομείς όπως η κατασκευή υψηλής τεχνολογίας, οι ηλεκτρονικές πληροφορίες, οι μεταφορές, η εξοικονόμηση ενέργειας κτιρίων, η αεροδιαστημική και η εθνική αμυντικές και στρατιωτικές βιομηχανίες. έπαιξε τεράστιο ρόλο.
Δεν είναι μόνο μια σημαντική βασική βιομηχανία της εθνικής οικονομίας, αλλά και μια κορυφαία βιομηχανία της χώρας.
Δεν είναι μόνο μια στρατηγική αναδυόμενη βιομηχανία στην πετροχημική βιομηχανία, αλλά και ένα σημαντικό υποστηρικτικό υλικό για στρατηγικές αναδυόμενες βιομηχανίες όπως οι ηλεκτρονικές πληροφορίες, η αεροδιαστημική, η εθνική άμυνα και η νέα ενέργεια.
Όχι μόνο έχει υψηλό τεχνολογικό περιεχόμενο και υψηλή προστιθέμενη αξία, είναι επίσης μια σημαντική κατεύθυνση για τον μετασχηματισμό και την αναβάθμιση της πετροχημικής βιομηχανίας.
Ως εκ τούτου, τα πολυμερή υλικά ήταν πάντα ένας τομέας ανάπτυξης στον οποίο οι ανεπτυγμένες χώρες και οι πολυεθνικές εταιρείες αποδίδουν μεγάλη σημασία. Αυτό όχι μόνο παρέχει ένα ευρύ χώρο αγοράς για τη νέα βιομηχανία πολυμερών υλικών, αλλά προβάλλει επίσης υψηλότερες απαιτήσεις για την ποιοτική απόδοση, το επίπεδο αξιοπιστίας και τις δυνατότητες υποστήριξης.
Επομένως, ο τρόπος μεγιστοποίησης των λειτουργιών των προϊόντων πολυμερών υλικών με βάση τις αρχές της εξοικονόμησης ενέργειας, των χαμηλών εκπομπών άνθρακα και της οικολογικής ανάπτυξης έχει προσελκύσει όλο και περισσότερη προσοχή. Η γήρανση είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την αξιοπιστία και την ανθεκτικότητα των πολυμερών υλικών.
02 Τύποι γήρανσης πολυμερών υλικών
Κατά την επεξεργασία, αποθήκευση και χρήση πολυμερών υλικών, λόγω των συνδυασμένων επιδράσεων εσωτερικών και εξωτερικών παραγόντων, οι ιδιότητές τους σταδιακά επιδεινώνονται και τελικά χάνουν την αξία χρήσης τους. Το φαινόμενο αυτό ανήκει στη γήρανση των πολυμερών υλικών.
Αυτό όχι μόνο προκαλεί σπατάλη πόρων, αλλά μπορεί ακόμη και να οδηγήσει σε μεγαλύτερα ατυχήματα λόγω λειτουργικής αστοχίας και η αποσύνθεση των υλικών που προκαλείται από τη γήρανση μπορεί επίσης να μολύνει το περιβάλλον.
Λόγω των διαφορετικών τύπων πολυμερών και των διαφορετικών συνθηκών χρήσης, έχουν διαφορετικά φαινόμενα και χαρακτηριστικά γήρανσης. Γενικά, η γήρανση των πολυμερών υλικών μπορεί να ταξινομηθεί στους ακόλουθους τέσσερις τύπους αλλαγών:
1. Αλλαγές στην εμφάνιση
Εμφάνιση λεκέδων, κηλίδων, ραβδώσεων, ρωγμών, άνθισης, κιμωλίας, κολλώδους, παραμόρφωσης, ματιών ψαριού, ρυτίδων, συρρίκνωσης, καψίματος, οπτικής παραμόρφωσης και αλλαγές στο οπτικό χρώμα.
2. Αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες
Συμπεριλαμβανομένων αλλαγών στη διαλυτότητα, διόγκωση, ρεολογικές ιδιότητες, αντίσταση στο κρύο, αντίσταση στη θερμότητα, διαπερατότητα νερού, διαπερατότητα αέρα και άλλες ιδιότητες.
3. Αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες
Αλλαγές στην αντοχή σε εφελκυσμό, στην αντοχή σε κάμψη, στην αντοχή σε διάτμηση, στην αντοχή σε κρούση, στη σχετική επιμήκυνση, στη χαλάρωση των τάσεων και άλλες ιδιότητες.
4. Αλλαγές στις ηλεκτρικές ιδιότητες
Όπως αλλαγές στην αντίσταση της επιφάνειας, στην αντίσταση όγκου, στη διηλεκτρική σταθερά, στην ηλεκτρική δύναμη διάσπασης κ.λπ.
03 Παράγοντες που προκαλούν τη γήρανση των πολυμερών υλικών
1. Μακροανάλυση
Επειδή κατά την επεξεργασία και χρήση των πολυμερών, θα υπόκεινται στις συνδυασμένες επιδράσεις περιβαλλοντικών παραγόντων όπως θερμότητα, οξυγόνο, νερό, φως, μικροοργανισμοί και χημικά μέσα. Η χημική σύσταση και η δομή τους θα υποστούν μια σειρά αλλαγών και ανάλογα θα αλλάξουν και οι φυσικές τους ιδιότητες. Φθορά, όπως σκληρότητα, κολλητικότητα, ευθραυστότητα, αποχρωματισμός, απώλεια αντοχής κ.λπ. Αυτές οι αλλαγές και τα φαινόμενα ονομάζονται γήρανση.
2. Μικροσκοπική ανάλυση
Τα υψηλά μοριακά πολυμερή θα σχηματίσουν μόρια διεγερμένης κατάστασης υπό τη δράση θερμότητας ή φωτός. Όταν η ενέργεια είναι αρκετά υψηλή, οι μοριακές αλυσίδες θα σπάσουν για να σχηματίσουν ελεύθερες ρίζες. Οι ελεύθερες ρίζες μπορούν να σχηματίσουν αλυσιδωτές αντιδράσεις μέσα στο πολυμερές, να συνεχίσουν να προκαλούν αποικοδόμηση και μπορεί να προκαλέσουν διασταυρούμενη σύνδεση.
Εάν υπάρχει οξυγόνο ή όζον στο περιβάλλον, μια σειρά από αντιδράσεις οξείδωσης θα προκληθούν για να σχηματιστούν υδροϋπεροξείδια (ROOH), τα οποία θα αποσυντεθούν περαιτέρω σε καρβονυλικές ομάδες.
Εάν υπάρχουν υπολειμματικά ιόντα μετάλλου καταλύτη στο πολυμερές ή εάν εισαχθούν μεταλλικά ιόντα όπως χαλκός, σίδηρος, μαγγάνιο, κοβάλτιο κ.λπ. κατά την επεξεργασία και τη χρήση, η αντίδραση οξειδωτικής αποδόμησης του πολυμερούς θα επιταχυνθεί.
04 Τεστ γήρανσης
Κατά την ανάπτυξη ή τη βελτίωση νέων υλικών, προκειμένου να επαληθευτεί η διάρκεια ζωής ή η αντιγηραντική τους δράση, απαιτείται δοκιμή γήρανσης. Τα κοινά τεστ γήρανσης περιλαμβάνουν τη φυσική γήρανση και την εργαστηριακή επιταχυνόμενη γήρανση.
1.Φυσική γήρανση
Η φυσική γήρανση είναι η έκθεση του δείγματος υλικού απευθείας στο φυσικό περιβάλλον. Συνήθως το δείγμα τοποθετείται στο ράφι έκθεσης σε μια ορισμένη γωνία. Οι κοινές γωνίες έκθεσης είναι 5 μοίρες , 45 μοίρες και 90 μοίρες . Τα σχετικά πρότυπα δοκιμών περιλαμβάνουν το ISO 877 Πλαστικά - Μέθοδοι έκθεσης στην ηλιακή ακτινοβολία. ISO2810 Χρώματα και βερνίκια - Φυσική διάβρωση των επιστρώσεων - Έκθεση και αξιολόγηση. Πρότυπη πρακτική ASTMG7 για δοκιμές ατμοσφαιρικής περιβαλλοντικής έκθεσης μη μεταλλικών υλικών, κ.λπ.
Η μέθοδος δοκιμής φυσικής γήρανσης είναι απλή και χαμηλού κόστους, αλλά ο κύκλος δοκιμής της είναι πολύ μεγάλος, γεγονός που επηρεάζει την πρόοδο βελτιστοποίησης του σχεδιασμού του προϊόντος. Επιπλέον, δεδομένου ότι είναι φυσικό περιβάλλον και οι κλιματικές συνθήκες δεν μπορούν να ελεγχθούν, προκειμένου να διασφαλιστεί η αναπαραγωγιμότητα των αποτελεσμάτων των δοκιμών, η επιλογή του τόπου δοκιμής είναι ιδιαίτερα σημαντική. Οι Ηνωμένες Πολιτείες δημιούργησαν ένα φυσικό κλιματικό πεδίο στη Νότια Φλόριντα το 1931, το οποίο είναι ένα τυπικό πεδίο έκθεσης σε θερμό και υγρό κλίμα στις Ηνωμένες Πολιτείες. Ο χώρος δοκιμών που ιδρύθηκε στην κεντρική Αριζόνα είναι μια τυπική τοποθεσία έκθεσης σε ξηρή θερμότητα. Η τοποθεσία δοκιμής έκθεσης Turpan του Εθνικού Κέντρου Εποπτείας και Επιθεώρησης Ποιότητας Προϊόντων Μηχανοκίνητων Οχημάτων της χώρας μου είναι επίσης μια τυπική τοποθεσία έκθεσης σε ξηρό και ζεστό κλίμα. Η μέγιστη θερμοκρασία στην περιοχή Turpan από τον Μάιο έως τον Αύγουστο είναι πάνω από 40 βαθμούς, η ακραία μέγιστη θερμοκρασία είναι 49,6 βαθμούς και η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι μόνο 8 mm. Το πεδίο έκθεσης στο Qionghai του Hainan έχει τυπικές θερμές και υγρές κλιματικές συνθήκες. Η μέση ετήσια θερμοκρασία είναι 27,4 βαθμοί και η μέση ετήσια βροχόπτωση φτάνει τα 2134 mm.
2. Επιταχυνόμενη γήρανση στο εργαστήριο
Προκειμένου να επιταχυνθεί ο κύκλος δοκιμής και να ληφθούν γρηγορότερα δεδομένα γήρανσης, το εργαστήριο χρησιμοποιεί συνήθως τεχνητές πηγές φωτός για να προσομοιώσει την ηλιακή ακτινοβολία, να ταιριάζει με διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας, υγρασίας και βροχής κ.λπ., και μπορεί να προσομοιώσει διάφορα φυσικά κλίματα.
1) Επιλογή πηγής φωτός
Οι κοινώς χρησιμοποιούμενες πηγές τεχνητού φωτός περιλαμβάνουν λαμπτήρες τόξου xenon, λαμπτήρες αλογονιδίου μετάλλου και λαμπτήρες φθορισμού υπεριώδους. Οι λαμπτήρες φθορισμού UV μπορούν να προσομοιώσουν πολύ καλά το ηλιακό φως στις περιοχές UV μεσαίου κύματος και υπεριώδους ακτινοβολίας βραχέων κυμάτων. Οι λαμπτήρες τόξου Xenon και οι λαμπτήρες αλογονιδίου μετάλλου μπορούν να προσομοιώσουν πολύ καλά το ηλιακό φως σε όλο το φάσμα. Επομένως, οι δοκιμαστικοί θάλαμοι που χρησιμοποιούν λαμπτήρες ξένον και λαμπτήρες αλογονιδίου μετάλλου ως πηγές φωτός μπορούν να προσομοιώσουν την ακτινοβολία του ηλιακού φωτός, ενώ οι θάλαμοι γήρανσης που χρησιμοποιούν λαμπτήρες φθορισμού υπεριώδους δεν προορίζονται για μίμηση του ηλιακού φωτός, αλλά προσομοιώνουν μόνο την επίδραση γήρανσης του ηλιακού φωτός. Επιπλέον, υπάρχουν κιβώτια παλαίωσης στην αγορά που χρησιμοποιούν λαμπτήρες τόξου άνθρακα ως πηγή φωτός. Ωστόσο, το φάσμα τόξου άνθρακα δεν έχει καλή συσχέτιση με το φάσμα του ηλιακού φωτός και η χρήση της δοκιμής λαμπτήρων τόξου άνθρακα γίνεται για ιστορικούς λόγους.
2) Συνάφεια της επιταχυνόμενης γήρανσης
Η συσχέτιση αναφέρεται στον βαθμό συνέπειας μεταξύ των αποτελεσμάτων επιταχυνόμενης γήρανσης στο εργαστήριο και των αποτελεσμάτων γήρανσης του υλικού στο πραγματικό περιβάλλον χρήσης. Μόνο όταν η δοκιμή επιταχυνόμενης γήρανσης είναι σχετική, μπορεί να αντικατοπτρίζει πραγματικά την αντοχή του υλικού στις καιρικές συνθήκες και να προβλέψει πραγματικά τη διάρκεια ζωής του υλικού. Η παράλογη επιταχυνόμενη δοκιμή θα μειώσει τη συνάφεια της δοκιμής και θα χάσει ακόμη και το νόημά της.
3) Η αναπτυξιακή τάση της επιταχυνόμενης γήρανσης στα εργαστήρια
Όπως αναφέρθηκε στην αρχή, οι παράγοντες που επηρεάζουν τη γήρανση του υλικού περιλαμβάνουν την ηλιακή ακτινοβολία, τη θερμοκρασία, το νερό και άλλους παράγοντες. Η γήρανση των υλικών είναι αποτέλεσμα της κοινής δράσης αυτών των παραγόντων, αλλά δεν είναι μια απλή υπέρθεση των επιδράσεων διαφόρων παραγόντων. Πρέπει επίσης να εξεταστεί η συνέργεια μεταξύ τους. Επομένως, μια πιο ολοκληρωμένη προσομοίωση του πραγματικού περιβάλλοντος χρήσης του υλικού μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερα σχετικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, σύμφωνα με το πρότυπο ISO 20340, η δοκιμή βασίζεται σε κύκλο 7 ημερών. Την 1η έως την 3η ημέρα πραγματοποιείται δοκιμή υπεριώδους ακτινοβολίας με κύκλο φωτός και σκοταδιού σύμφωνα με το ISO 11507. Την 4η έως την 6η ημέρα γίνεται δοκιμή ψεκασμού με αλάτι σύμφωνα με το ISO 9227. Την 7η ημέρα ({{9} } Δοκιμή χαμηλής θερμοκρασίας ±2) βαθμού. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή δοκιμή αντοχής στις καιρικές συνθήκες, ενσωματώνει περισσότερους παράγοντες που επηρεάζουν τη γήρανση και είναι περισσότερο σύμφωνος με τις πραγματικές συνθήκες χρήσης του υλικού, ώστε να μπορεί να αντικατοπτρίζει καλύτερα την πραγματική γήρανση του υλικού. Γνωρίζουμε ότι η μούχλα, η συγκέντρωση του όζοντος κ.λπ. έχουν σημαντικό αντίκτυπο στη γήρανση των πλαστικών προϊόντων. Ο τρόπος ενσωμάτωσης περισσότερων παραγόντων γήρανσης στις δοκιμές θα είναι μία από τις κατευθύνσεις ανάπτυξης της επιταχυνόμενης γήρανσης στα εργαστήρια.
05 Μέθοδοι αντιγήρανσης πολυμερών υλικών
Επί του παρόντος, οι κύριες μέθοδοι βελτίωσης και ενίσχυσης των αντιγηραντικών ιδιοτήτων των πολυμερών υλικών περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
1. Φυσική προστασία (όπως πάχυνση, βαφή, ανάμειξη εξωτερικού στρώματος κ.λπ.)
Η γήρανση των πολυμερών υλικών, ειδικά η γήρανση με φωτοοξυγόνο, ξεκινά πρώτα από την επιφάνεια του υλικού ή του προϊόντος, εκδηλώνεται ως αποχρωματισμός, σκόνη, ρωγμές, απώλεια γυαλάδας κ.λπ., και στη συνέχεια διεισδύει βαθύτερα στο εσωτερικό. Τα λεπτά προϊόντα είναι πιο πιθανό να αποτύχουν πρόωρα από τα χοντρά προϊόντα, επομένως η διάρκεια ζωής του προϊόντος μπορεί να παραταθεί με πάχυνση του προϊόντος. Για προϊόντα που είναι επιρρεπή στη γήρανση, μπορείτε να εφαρμόσετε ένα στρώμα επίστρωσης με καλή αντοχή στις καιρικές συνθήκες στην επιφάνεια ή να συνδυάσετε ένα στρώμα υλικού με καλή αντοχή στις καιρικές συνθήκες στο εξωτερικό στρώμα του προϊόντος για να προσαρτήσετε ένα προστατευτικό στρώμα στην επιφάνεια του προϊόν. Επιβραδύνετε τη διαδικασία γήρανσης.
2. Βελτιώστε την τεχνολογία επεξεργασίας
Πολλά υλικά έχουν επίσης προβλήματα γήρανσης κατά τη διαδικασία σύνθεσης ή παρασκευής. Για παράδειγμα, η επίδραση της θερμότητας κατά τον πολυμερισμό, η θερμική γήρανση του οξυγόνου κατά την επεξεργασία κ.λπ. Αντίστοιχα, η επίδραση του οξυγόνου μπορεί να μετριαστεί με την προσθήκη συσκευής αφαίρεσης οξυγόνου ή συσκευής κενού κατά τον πολυμερισμό ή την επεξεργασία. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος μπορεί να εγγυηθεί την απόδοση του υλικού μόνο όταν φύγει από το εργοστάσιο και αυτή η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί μόνο από την πηγή προετοιμασίας του υλικού και δεν μπορεί να λύσει το πρόβλημα γήρανσης κατά την επανεπεξεργασία και χρήση του.
3. Δομική μελέτη ή τροποποίηση πολυμερών υλικών
Πολλά πολυμερή υλικά περιέχουν ομάδες που είναι πολύ ευαίσθητες στη γήρανση στη μοριακή τους δομή. Επομένως, μέσω του σχεδιασμού της μοριακής δομής του υλικού, η αντικατάσταση των ομάδων που είναι επιρρεπείς στη γήρανση με ομάδες που δεν είναι επιρρεπείς στη γήρανση μπορεί συχνά να επιτύχει καλά αποτελέσματα. Ή, λειτουργικές ομάδες ή δομές με αντιγηραντικά αποτελέσματα μπορούν να εισαχθούν στην αλυσίδα του πολυμερούς μέσω εμβολιασμού ή συμπολυμερισμού, δίνοντας στο ίδιο το υλικό εξαιρετικές αντιγηραντικές λειτουργίες. Αυτή είναι επίσης μια μέθοδος που χρησιμοποιείται συχνά από ερευνητές, αλλά το κόστος είναι σχετικά υψηλό. Η υψηλή, μεγάλης κλίμακας παραγωγή και εφαρμογή δεν μπορεί να επιτευχθεί προς το παρόν.
4. Προσθέστε αντιγηραντικά πρόσθετα
Επί του παρόντος, ένας αποτελεσματικός και κοινός τρόπος για τη βελτίωση της αντίστασης στη γήρανση των πολυμερών υλικών είναι η προσθήκη αντιγηραντικών πρόσθετων, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω του χαμηλού κόστους τους και της απουσίας αλλαγών στις υπάρχουσες διαδικασίες παραγωγής. Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι για να προσθέσετε αυτά τα αντιγηραντικά πρόσθετα:
Μέθοδος άμεσης προσθήκης προσθέτων: δηλαδή, το αντιγηραντικό πρόσθετο (σκόνη ή υγρό) αναμιγνύεται απευθείας και αναδεύεται με πρώτες ύλες όπως ρητίνη και στη συνέχεια εξωθείται για κοκκοποίηση ή χύτευση με έγχυση κ.λπ. Επειδή αυτή η μέθοδος προσθήκης είναι απλή και εύκολη για την εφαρμογή, χρησιμοποιείται ευρέως από την πλειοψηφία των εργοστασίων σφαιροποίησης και χύτευσης με έγχυση.
Μέθοδος προσθήκης αντιγηραντικής κύριας παρτίδας: Οι κατασκευαστές με υψηλότερες απαιτήσεις για ποιότητα προϊόντος και σταθερότητα ποιότητας χρησιμοποιούν συχνότερα τη μέθοδο προσθήκης της κύριας παρτίδας αντιγήρανσης κατά την παραγωγή. Η κύρια παρτίδα αντιγήρανσης λαμβάνεται με τη χρήση κατάλληλης ρητίνης ως φορέα, που αναμιγνύεται με μια ποικιλία αποτελεσματικών αντιγηραντικών πρόσθετων και στη συνέχεια συνεξωθείται και κοκκοποιείται με εξωθητή διπλού κοχλία. Το πλεονέκτημα εφαρμογής του έγκειται στη χρήση αντιγηραντικών πρόσθετων στη διαδικασία προετοιμασίας του masterbatch. Αρχικά, επιτυγχάνεται η προ-διασπορά και στη συνέχεια, στη μεταγενέστερη διαδικασία επεξεργασίας υλικού, τα αντιγηραντικά πρόσθετα διασπείρονται δευτερογενώς, επιτυγχάνοντας τον σκοπό της ομοιόμορφης διασποράς των προσθέτων στη μήτρα του πολυμερούς υλικού, η οποία όχι μόνο διασφαλίζει την ποιοτική σταθερότητα του προϊόν, αλλά και Αποτρέπει τη ρύπανση από σκόνη κατά την παραγωγή, καθιστώντας την παραγωγή πιο πράσινη και φιλική προς το περιβάλλον.