Tipologie di invecchiamento, prove di invecchiamento e metodi anti-invecchiamento dei materiali polimerici
01 Stato attuale dello sviluppo dei materiali polimerici
I materiali polimerici, grazie alle loro eccellenti proprietà quali leggerezza, elevata resistenza, resistenza alla temperatura e resistenza alla corrosione, sono ora ampiamente utilizzati in molti campi come la produzione di fascia alta, l'informazione elettronica, i trasporti, il risparmio energetico nell'edilizia, l'aerospaziale e il settore nazionale. industrie della difesa e militari. ha giocato un ruolo enorme.
Non è solo un'importante industria di base dell'economia nazionale, ma anche un'industria leader del paese;
Non è solo un settore strategico emergente nel settore petrolchimico, ma anche un importante materiale di supporto per settori strategici emergenti come l'informazione elettronica, l'aerospaziale, la difesa nazionale e la nuova energia;
Non solo ha un alto contenuto tecnologico e un alto valore aggiunto, ma è anche un'importante direzione per la trasformazione e il potenziamento dell'industria petrolchimica.
Pertanto, i materiali polimerici sono sempre stati un'area di sviluppo a cui i paesi sviluppati e le aziende multinazionali attribuiscono grande importanza. Ciò non solo fornisce un ampio spazio di mercato per il nuovo settore dei materiali polimerici, ma propone anche requisiti più elevati per le sue prestazioni di qualità, livello di affidabilità e capacità di supporto.
Pertanto, come massimizzare le funzioni dei prodotti in materiali polimerici basati sui principi di risparmio energetico, basse emissioni di carbonio e sviluppo ecologico ha attirato sempre più attenzione. L’invecchiamento è un fattore importante che influenza l’affidabilità e la durata dei materiali polimerici.
02 Tipi di invecchiamento dei materiali polimerici
Durante la lavorazione, lo stoccaggio e l'utilizzo dei materiali polimerici, a causa degli effetti combinati di fattori interni ed esterni, le loro proprietà si deteriorano gradualmente fino a perdere il loro valore d'uso. Questo fenomeno appartiene all'invecchiamento dei materiali polimerici.
Ciò non solo provoca uno spreco di risorse, ma può anche portare a incidenti più gravi dovuti a guasti funzionali e la decomposizione dei materiali causata dall'invecchiamento può anche inquinare l'ambiente.
A causa dei diversi tipi di polimeri e delle diverse condizioni di utilizzo, hanno fenomeni e caratteristiche di invecchiamento diversi. In generale, l’invecchiamento dei materiali polimerici può essere classificato nei seguenti quattro tipi di cambiamenti:
1. Cambiamenti nell'aspetto
La comparsa di macchie, macchie, striature, crepe, fioriture, sfarinamento, appiccicosità, deformazione, occhi di pesce, grinze, restringimenti, bruciature, distorsioni ottiche e cambiamenti nel colore ottico.
2. Cambiamenti nelle proprietà fisiche
Compresi cambiamenti di solubilità, rigonfiamento, proprietà reologiche, resistenza al freddo, resistenza al calore, permeabilità all'acqua, permeabilità all'aria e altre proprietà.
3. Cambiamenti nelle proprietà meccaniche
Cambiamenti nella resistenza alla trazione, alla flessione, alla resistenza al taglio, alla resistenza all'impatto, all'allungamento relativo, al rilassamento dello stress e ad altre proprietà.
4. Cambiamenti nelle proprietà elettriche
Come cambiamenti nella resistenza superficiale, resistenza del volume, costante dielettrica, resistenza alla rottura elettrica, ecc.
03 Fattori che causano l'invecchiamento dei materiali polimerici
1. Analisi macro
Perché durante la lavorazione e l'utilizzo dei polimeri, questi saranno soggetti agli effetti combinati di fattori ambientali quali calore, ossigeno, acqua, luce, microrganismi e sostanze chimiche. La loro composizione chimica e struttura subiranno una serie di cambiamenti e anche le loro proprietà fisiche cambieranno di conseguenza. Deterioramento, come durezza, appiccicosità, fragilità, scolorimento, perdita di resistenza, ecc. Questi cambiamenti e fenomeni sono chiamati invecchiamento.
2. Analisi microscopica
I polimeri ad alto peso molecolare formeranno molecole allo stato eccitato sotto l'azione del calore o della luce. Quando l'energia è sufficientemente alta, le catene molecolari si romperanno per formare radicali liberi. I radicali liberi possono formare reazioni a catena all'interno del polimero, continuare a causare degradazione e causare reticolazione.
Se nell'ambiente è presente ossigeno o ozono, una serie di reazioni di ossidazione verranno indotte per formare idroperossidi (ROOH), che si decomporranno ulteriormente in gruppi carbonilici.
Se nel polimero sono presenti ioni metallici catalizzatori residui o ioni metallici come rame, ferro, manganese, cobalto, ecc. vengono introdotti durante la lavorazione e l'uso, la reazione di degradazione ossidativa del polimero verrà accelerata.
04 Prova di invecchiamento
Nello sviluppo o nel miglioramento di nuovi materiali, al fine di verificarne la durata o l'effetto anti-invecchiamento, sono richiesti test di invecchiamento. I test di invecchiamento comuni includono l’invecchiamento naturale e l’invecchiamento accelerato in laboratorio.
1.Invecchiamento naturale
L'invecchiamento naturale consiste nell'esporre il campione di materiale direttamente all'ambiente naturale. Di solito il campione viene installato sul rack di esposizione con una certa angolazione. Gli angoli di esposizione comuni sono 5 gradi, 45 gradi e 90 gradi. Gli standard di test rilevanti includono ISO 877 Plastica - Metodi di esposizione alla radiazione solare; ISO2810 Pitture e vernici - Invecchiamento naturale dei rivestimenti - Esposizione e valutazione; ASTMG7 Pratica standard per i test di esposizione ambientale atmosferica di materiali non metallici, ecc.
Il metodo di prova dell'invecchiamento naturale è semplice ed economico, ma il suo ciclo di prova è troppo lungo e ciò influisce sul progresso di ottimizzazione della progettazione del prodotto. Inoltre, trattandosi di un ambiente naturale e le condizioni climatiche non possono essere controllate, al fine di garantire la riproducibilità dei risultati del test, la scelta del sito di prova è particolarmente importante. Gli Stati Uniti hanno istituito un campo climatico naturale nel sud della Florida nel 1931, che è un campo standard di esposizione al clima caldo e umido negli Stati Uniti. Il sito di prova stabilito nell'Arizona centrale è un sito standard di esposizione al calore secco. Anche il sito per i test di esposizione a Turpan del Centro nazionale di supervisione e ispezione della qualità dei prodotti automobilistici del mio paese è un tipico sito di esposizione a clima secco e caldo. La temperatura massima nell'area di Turpan da maggio ad agosto è superiore a 40 gradi, la temperatura massima estrema è di 49,6 gradi e la precipitazione media annua è di soli 8 mm. Il campo di esposizione a Qionghai, Hainan, presenta tipiche condizioni climatiche calde e umide. La temperatura media annuale è di 27,4 gradi e la precipitazione media annuale arriva fino a 2134 mm.
2. Invecchiamento accelerato in laboratorio
Per accelerare il ciclo di prova e ottenere dati sull'invecchiamento più velocemente, il laboratorio utilizza solitamente fonti di luce artificiale per simulare la radiazione solare, abbinare diverse condizioni di temperatura, umidità e pioggia, ecc., e può simulare vari climi naturali.
1) Selezione della sorgente luminosa
Le fonti di luce artificiale comunemente utilizzate includono lampade ad arco allo xeno, lampade ad alogenuri metallici e lampade fluorescenti ultraviolette. Le lampade fluorescenti UV possono simulare molto bene la luce solare nelle gamme UV a onde medie e UV a onde corte. Le lampade ad arco allo xeno e le lampade ad alogenuri metallici possono simulare molto bene la luce solare nell'intero spettro. Pertanto, le camere di prova che utilizzano lampade allo xeno e lampade ad alogenuri metallici come sorgenti luminose possono simulare bene la radiazione solare, mentre le camere di invecchiamento che utilizzano lampade ultraviolette fluorescenti non sono destinate a imitare la luce solare, ma simulano solo l'effetto di invecchiamento della luce solare. Inoltre, sul mercato sono presenti scatole obsolete che utilizzano lampade ad arco di carbonio come sorgente luminosa. Tuttavia, lo spettro dell’arco al carbonio non ha una buona correlazione con lo spettro della luce solare e l’uso del test con lampada ad arco al carbonio è per ragioni storiche.
2) Rilevanza dell'invecchiamento accelerato
La correlazione si riferisce al grado di coerenza tra i risultati dell'invecchiamento accelerato in laboratorio e i risultati dell'invecchiamento del materiale nell'ambiente di utilizzo effettivo. Solo quando il test di invecchiamento accelerato è rilevante può riflettere realmente la resistenza agli agenti atmosferici del materiale e prevederne realmente la durata. Test accelerati irragionevoli ridurranno la rilevanza del test e perderanno persino il suo significato.
3) Il trend di sviluppo dell'invecchiamento accelerato nei laboratori
Come accennato all'inizio, i fattori che influenzano l'invecchiamento dei materiali includono la radiazione solare, la temperatura, l'acqua e altri fattori. L’invecchiamento dei materiali è il risultato dell’azione congiunta di questi fattori, ma non è una semplice sovrapposizione degli effetti di vari fattori. Bisogna considerare anche la sinergia tra loro. Pertanto, una simulazione più completa dell’ambiente di utilizzo effettivo del materiale può portare a risultati più rilevanti. Ad esempio, secondo la norma ISO 20340, il test si basa su un ciclo di 7 giorni. Dal 1° al 3° giorno, viene eseguito un test UV con un ciclo di luce e buio secondo la norma ISO 11507. Dal 4° al 6° giorno, viene eseguito un test in nebbia salina secondo la norma ISO 9227. Il 7° giorno ({{9} } Test a bassa temperatura di ±2) gradi. Rispetto al tradizionale test di resistenza agli agenti atmosferici, integra più fattori che influenzano l'invecchiamento ed è più in linea con le effettive condizioni di utilizzo del materiale, quindi può riflettere meglio l'effettivo invecchiamento del materiale. Sappiamo che muffe, concentrazione di ozono, ecc. hanno tutti un impatto importante sull'invecchiamento dei prodotti in plastica. Come integrare più fattori di invecchiamento nei test sarà una delle direzioni di sviluppo dell'invecchiamento accelerato nei laboratori.
05 Metodi per l'anti-invecchiamento dei materiali polimerici
Allo stato attuale, i principali metodi per migliorare e potenziare le proprietà anti-invecchiamento dei materiali polimerici includono quanto segue:
1. Protezione fisica (come ispessimento, verniciatura, composizione dello strato esterno, ecc.)
L'invecchiamento dei materiali polimerici, in particolare l'invecchiamento dovuto al fotoossigeno, inizia innanzitutto dalla superficie del materiale o del prodotto, manifestandosi come scolorimento, spolveramento, screpolature, perdita di lucentezza, ecc., per poi penetrare gradualmente più in profondità all'interno. I prodotti sottili hanno maggiori probabilità di guastarsi prematuramente rispetto ai prodotti spessi, quindi la durata del prodotto può essere prolungata ispessendo il prodotto. Per i prodotti soggetti a invecchiamento, è possibile applicare uno strato di rivestimento con buona resistenza agli agenti atmosferici sulla superficie, oppure assemblare uno strato di materiale con buona resistenza agli agenti atmosferici sullo strato esterno del prodotto per fissare uno strato protettivo alla superficie del prodotto. Prodotto. Rallenta il processo di invecchiamento.
2. Migliorare la tecnologia di elaborazione
Molti materiali presentano anche problemi di invecchiamento durante il processo di sintesi o preparazione. Ad esempio, l'influenza del calore durante la polimerizzazione, l'invecchiamento termico dell'ossigeno durante la lavorazione, ecc. Di conseguenza, l'impatto dell'ossigeno può essere mitigato aggiungendo un dispositivo di rimozione dell'ossigeno o un dispositivo di vuoto durante la polimerizzazione o la lavorazione. Tuttavia, questo metodo può garantire le prestazioni del materiale solo quando lascia la fabbrica e può essere implementato solo dalla fonte di preparazione del materiale e non può risolvere il problema dell'invecchiamento durante il ritrattamento e l'utilizzo.
3. Progettazione strutturale o modifica di materiali polimerici
Molti materiali polimerici contengono gruppi molto suscettibili all'invecchiamento nella loro struttura molecolare. Pertanto, attraverso la progettazione della struttura molecolare del materiale, la sostituzione dei gruppi inclini all’invecchiamento con gruppi che non sono inclini all’invecchiamento può spesso ottenere buoni risultati. Oppure è possibile introdurre nella catena polimerica mediante innesto o copolimerizzazione gruppi funzionali o strutture con effetti anti-invecchiamento, conferendo al materiale stesso ottime funzioni anti-invecchiamento. Anche questo è un metodo spesso utilizzato dai ricercatori, ma il costo è relativamente alto. Per il momento non è possibile raggiungere una produzione e un'applicazione su larga scala.
4. Aggiungi additivi antietà
Allo stato attuale, un modo efficace e comune per migliorare la resistenza all’invecchiamento dei materiali polimerici è aggiungere additivi anti-invecchiamento, che sono ampiamente utilizzati a causa del loro basso costo e dell’assenza di modifiche ai processi di produzione esistenti. Esistono due modi principali per aggiungere questi additivi antietà:
Metodo di aggiunta diretta degli additivi: ovvero l'additivo anti-invecchiamento (in polvere o liquido) viene miscelato e agitato direttamente con materie prime come la resina, quindi estruso per la granulazione o lo stampaggio a iniezione, ecc. Perché questo metodo di aggiunta è semplice e facile per l'implementazione, è ampiamente utilizzato dalla maggior parte degli stabilimenti di pellettizzazione e stampaggio a iniezione.
Metodo di aggiunta del masterbatch anti-invecchiamento: i produttori con requisiti più elevati in termini di qualità del prodotto e stabilità della qualità utilizzano più spesso il metodo di aggiunta di masterbatch anti-invecchiamento durante la produzione. Il masterbatch anti-invecchiamento è ottenuto utilizzando una resina adatta come supporto, miscelata con una varietà di efficaci additivi anti-invecchiamento, e quindi coestrusa e granulata da un estrusore bivite. Il suo vantaggio applicativo risiede nell'utilizzo di additivi anti-invecchiamento nel processo di preparazione del masterbatch. In primo luogo, si ottiene la pre-dispersione, quindi, nel successivo processo di lavorazione del materiale, gli additivi anti-invecchiamento vengono dispersi secondariamente, raggiungendo lo scopo di una dispersione uniforme degli additivi nella matrice del materiale polimerico, che non solo garantisce la stabilità della qualità del prodotto, ma evita anche l'inquinamento da polvere durante la produzione, rendendo la produzione più ecologica e rispettosa dell'ambiente.