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高分子材料的老化類型、老化測試與抗老化方法
高分子材料自身技術(shù)含量高、附加值高,一直是發(fā)達(dá)國家和跨國公司十分重視的發(fā)展領(lǐng)域,具有廣闊的市場空間。因此,也對其質(zhì)量性能、可靠性水平、保障能力等提出了更高要求。如何本著節(jié)能、低碳和生態(tài)發(fā)展的原則,發(fā)揮高分子材料制品的功能,就越來越受到人們的關(guān)注。而老化正是影響高分子材料可靠性和耐久性的重要因素。
高分子材料的老化現(xiàn)象
老化由物理老化和化學(xué)老化兩種類型。高分子材料在加工、貯存和使用過程中,由于受到各種外界環(huán)境因素的影響,其性能逐漸由好變壞,以致最后喪失使用價(jià)值,這種現(xiàn)象就屬于高分子材料的老化。不僅造成資源浪費(fèi),甚至?xí)蚱涔δ苁п劤筛蟮氖鹿剩移淅匣鸬牟牧戏纸庖部赡軙?huì)對環(huán)境產(chǎn)生污染。
由于聚合物品種不同,使用條件各異,因而有不同的老化現(xiàn)象和特征。歸納起來高分子材料的老化可有以下幾種情況:
1. 外觀的變化
出現(xiàn)污漬、斑點(diǎn)、銀紋、裂縫、噴霜、粉化、發(fā)粘、翹曲、魚眼、起皺、收縮、焦燒、光學(xué)畸變以及光學(xué)顏色的變化。
2. 物理性能的變化
包括溶解性、溶脹性、流變性能以及耐寒、耐熱、透水、透氣等性能的變化。
3. 力學(xué)性能的變化
拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、相對伸長率、應(yīng)力松馳等性能的變化。
4. 電性能的變化
如表面電阻、體積電阻、介電常數(shù)、電擊穿強(qiáng)度等的變化。
影響高分子材料老化的因素
1. 宏觀影響因素
因?yàn)楦叻肿泳酆衔镌诩庸?、使用過程中,會(huì)受到氧、臭氧、熱、水、光、微生物、化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素的綜合作用, 其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化,物理性能也會(huì)相應(yīng)變壞,如變色和褪色、聚合物發(fā)黃、變糊、開裂、龜裂、剝離和分層、翹曲、脆化、拉伸強(qiáng)度損失、粉化、起泡、失光等,這些變化和現(xiàn)象就稱為老化。
2. 微觀影響因素
高分子聚合物在熱或光的作用下會(huì)形成激發(fā)態(tài)的分子,當(dāng)能量足夠高,分子鏈就會(huì)斷裂形成自由基,自由基可以在聚合物內(nèi)部形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng),繼續(xù)引發(fā)降解,也可能引起交聯(lián)。
如果環(huán)境中存在氧氣或臭氧,還會(huì)誘發(fā)一系列氧化反應(yīng),形成氫過氧化物,并進(jìn)一步分解成為羰基。
如果聚合物中存在殘余的催化劑金屬離子,或在加工、使用中帶入金屬離子如銅、鐵、錳、鈷等,會(huì)加速聚合物的氧化降解反應(yīng)。
高分子材料老化試驗(yàn)
在新材料開發(fā)或改進(jìn)中,為驗(yàn)證其使用壽命或防老化效果,就需要進(jìn)行老化測試。常見的老化測試有自然老化和試驗(yàn)室加速老化。
1. 自然老化
自然老化就是將材料試樣直接暴曬在自然環(huán)境下。通常樣品以一定的角度安裝在暴曬架上,常見的暴曬角度有5 °、45 °、90 °。自然老化試驗(yàn)方法簡便,成本較低,但是其試驗(yàn)周期太長,影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)度。而且,由于是天然環(huán)境,氣候條件無法控制,為保證試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性,試驗(yàn)場地的選擇尤為重要。
美國1931年在南佛羅里達(dá)建立天然氣候場,是美國標(biāo)準(zhǔn)的濕熱氣候暴曬場。在亞利桑那中部建立的試驗(yàn)場,則是標(biāo)準(zhǔn)的干熱暴曬場。我國的國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心吐魯番暴曬試驗(yàn)場,也是典型的干熱氣候暴曬場。而海南瓊海的暴曬場,則是典型的濕熱氣候條件。
2. 試驗(yàn)室加速老化
為加快試驗(yàn)周期,更快的得到老化數(shù)據(jù),試驗(yàn)室通常使用人造光源模擬日光輻射,匹配不同的溫濕度及淋雨條件等,可以模擬各種自然氣候。
1)光源的選擇
常用的人造光源有氙弧燈、金屬鹵素?zé)艏白贤鉄晒鉄?。紫外熒光燈在中波紫外和短波紫外范圍?nèi),能很好的模擬日光。而氙弧燈和金屬鹵素?zé)粼谌庾V均能很好的模擬日光。因此,使用氙燈和金屬鹵素?zé)糇鳛楣庠吹脑囼?yàn)箱,能很好的模擬日光輻射,而使用熒光紫外燈的老化箱,其目的并不在于仿制日光,而只是模擬日光的老化效果。除此之外,市場上還有以碳弧燈作為光源的老化箱。但碳弧光譜與日光光譜并沒有很好的相關(guān)性,使用碳弧燈測試是歷史原因。
2)加速老化的相關(guān)性
相關(guān)性是指試驗(yàn)室加速老化的結(jié)果與材料在實(shí)際使用環(huán)境中發(fā)生老化的結(jié)果的一致性程度。加速老化試驗(yàn),只有具有相關(guān)性,才能真正反映材料的耐候性能,真實(shí)預(yù)測材料的使用壽命。不合理的加速試驗(yàn),會(huì)降低測試的相關(guān)性,甚至失去意義。
常見的降低相關(guān)性的錯(cuò)誤測試:
連續(xù)曝曬:某些材料的化學(xué)反應(yīng)需要間歇期,自然環(huán)境中也有暗周期。
使用超出日光光譜范圍的短波光源:短波輻射的高能量產(chǎn)生非自然光學(xué)變化。
高輻照度曝曬:高輻照度水平下的光化學(xué)反應(yīng)在正常環(huán)境下不會(huì)發(fā)生。
異常高溫或無溫度循環(huán):不真實(shí)的溫度會(huì)導(dǎo)致非自然的降解。
3)試驗(yàn)室加速老化的發(fā)展趨勢
材料老化的影響因素有日光輻射、溫度、水和其他因素。材料的老化是這些因素共同作用的結(jié)果,但并不是簡單的各種因素影響效果的疊加,還需要考慮其間的協(xié)同作用。因此,更全面的模擬材料的實(shí)際使用環(huán)境,能夠得到具有更好相關(guān)性的結(jié)果。例如ISO 20340標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)以7天為1個(gè)周期,第1至3天根據(jù)ISO 11507進(jìn)行具有明暗周期的紫外測試,第4至6天根據(jù)ISO 9227進(jìn)行鹽霧測試,第7天進(jìn)行(-20±2)℃的低溫測試。與傳統(tǒng)的耐候性測試相比,綜合了更多的老化影響因素,更符合材料的實(shí)際使用工況,因此更能反映材料的實(shí)際老化情況。我們知道,霉菌、臭氧濃度等,都對塑料制品的老化有重要影響,如何在測試中綜合更多的老化因素,將是試驗(yàn)室加速老化的發(fā)展方向之一。