Tipos de envelhecimento, testes de envelhecimento e métodos antienvelhecimento de materiais poliméricos
01 Situação atual do desenvolvimento de materiais poliméricos
Os materiais poliméricos, devido às suas excelentes propriedades, como peso leve, alta resistência, resistência à temperatura e resistência à corrosão, são agora amplamente utilizados em muitos campos, como fabricação de alta qualidade, informação eletrônica, transporte, conservação de energia em edifícios, aeroespacial e nacional. indústrias de defesa e militares. desempenhou um papel enorme.
Não é apenas uma importante indústria básica da economia nacional, mas também uma indústria líder do país;
Não é apenas uma indústria emergente estratégica na indústria petroquímica, mas também um importante material de apoio para indústrias emergentes estratégicas, como informação electrónica, aeroespacial, defesa nacional e novas energias;
Além de possuir alto conteúdo tecnológico e alto valor agregado, é também um importante direcionamento para a transformação e modernização da indústria petroquímica.
Portanto, os materiais poliméricos sempre foram uma área de desenvolvimento à qual os países desenvolvidos e as empresas multinacionais atribuem grande importância. Isto não só proporciona um amplo espaço de mercado para a nova indústria de materiais poliméricos, mas também impõe requisitos mais elevados para o seu desempenho de qualidade, nível de confiabilidade e capacidades de suporte.
Portanto, como maximizar as funções dos produtos de materiais poliméricos com base nos princípios de conservação de energia, baixo carbono e desenvolvimento ecológico tem atraído cada vez mais atenção. O envelhecimento é um fator importante que afeta a confiabilidade e durabilidade dos materiais poliméricos.
02 Tipos de envelhecimento de materiais poliméricos
Durante o processamento, armazenamento e utilização de materiais poliméricos, devido aos efeitos combinados de fatores internos e externos, suas propriedades deterioram-se gradativamente e eventualmente perdem seu valor de uso. Este fenômeno pertence ao envelhecimento dos materiais poliméricos.
Isto não só provoca um desperdício de recursos, mas pode até levar a acidentes maiores devido a falhas funcionais, e a decomposição de materiais causada pelo envelhecimento também pode poluir o meio ambiente.
Devido aos diferentes tipos de polímeros e às diferentes condições de uso, eles apresentam diferentes fenômenos e características de envelhecimento. Em geral, o envelhecimento dos materiais poliméricos pode ser classificado nos seguintes quatro tipos de alterações:
1. Mudanças na aparência
Aparecimento de manchas, manchas, estrias, rachaduras, flores, escamação, pegajosidade, empenamento, olhos de peixe, enrugamento, encolhimento, queimadura, distorção óptica e alterações na cor óptica.
2. Mudanças nas propriedades físicas
Incluindo mudanças na solubilidade, inchaço, propriedades reológicas, resistência ao frio, resistência ao calor, permeabilidade à água, permeabilidade ao ar e outras propriedades.
3. Mudanças nas propriedades mecânicas
Mudanças na resistência à tração, resistência à flexão, resistência ao cisalhamento, resistência ao impacto, alongamento relativo, relaxamento de tensão e outras propriedades.
4. Mudanças nas propriedades elétricas
Tais como mudanças na resistência superficial, resistência de volume, constante dielétrica, resistência à ruptura elétrica, etc.
03 Fatores que causam o envelhecimento de materiais poliméricos
1. Macroanálise
Porque durante o processamento e uso de polímeros, eles estarão sujeitos aos efeitos combinados de fatores ambientais como calor, oxigênio, água, luz, microorganismos e meios químicos. A sua composição química e estrutura sofrerão uma série de alterações, e as suas propriedades físicas também mudarão em conformidade. Deterioração, como dureza, pegajosidade, fragilidade, descoloração, perda de resistência, etc. Essas mudanças e fenômenos são chamados de envelhecimento.
2. Análise microscópica
Polímeros de alto peso molecular formarão moléculas em estado excitado sob a ação do calor ou da luz. Quando a energia é suficientemente elevada, as cadeias moleculares quebram-se para formar radicais livres. Os radicais livres podem formar reações em cadeia dentro do polímero, continuar a causar degradação e causar reticulação.
Se houver oxigênio ou ozônio no ambiente, uma série de reações de oxidação será induzida para formar hidroperóxidos (ROOH), que se decomporão ainda mais em grupos carbonila.
Se houver íons metálicos catalisadores residuais no polímero, ou íons metálicos como cobre, ferro, manganês, cobalto, etc. forem introduzidos durante o processamento e uso, a reação de degradação oxidativa do polímero será acelerada.
04 Teste de envelhecimento
No desenvolvimento ou aprimoramento de novos materiais, para verificar sua vida útil ou efeito antienvelhecimento, são necessários testes de envelhecimento. Os testes de envelhecimento comuns incluem envelhecimento natural e envelhecimento acelerado em laboratório.
1. Envelhecimento natural
O envelhecimento natural consiste em expor a amostra do material diretamente ao ambiente natural. Normalmente a amostra é instalada no rack de exposição em um determinado ângulo. Os ângulos de exposição comuns são 5 graus, 45 graus e 90 graus. Padrões de teste relevantes incluem Plásticos ISO 877 – Métodos de exposição à radiação solar; ISO2810 Tintas e vernizes - Desgaste natural de revestimentos - Exposição e avaliação; Prática padrão ASTMG7 para testes de exposição ambiental atmosférica de materiais não metálicos, etc.
O método de teste de envelhecimento natural é simples e de baixo custo, mas seu ciclo de teste é muito longo, o que afeta o progresso da otimização do design do produto. Além disso, uma vez que se trata de um ambiente natural e as condições climáticas não podem ser controladas, a fim de garantir a reprodutibilidade dos resultados dos testes, a seleção do local de teste é particularmente importante. Os Estados Unidos estabeleceram um campo climático natural no sul da Flórida em 1931, que é um campo padrão de exposição climática quente e úmida nos Estados Unidos. O local de teste estabelecido no centro do Arizona é um local padrão de exposição ao calor seco. O local de teste de exposição Turpan do Centro Nacional de Supervisão e Inspeção de Qualidade de Produtos de Veículos Motorizados do meu país também é um local típico de exposição a climas secos e quentes. A temperatura máxima na área de Turpan de maio a agosto é superior a 40 graus, a temperatura máxima extrema é de 49,6 graus e a precipitação média anual é de apenas 8 mm. O campo de exposição em Qionghai, Hainan, tem condições climáticas típicas de calor e umidade. A temperatura média anual é de 27,4 graus, e a precipitação média anual chega a 2.134 mm.
2. Envelhecimento acelerado em laboratório
Para acelerar o ciclo de testes e obter dados de envelhecimento mais rapidamente, o laboratório costuma utilizar fontes de luz artificial para simular a radiação solar, combinar diferentes condições de temperatura, umidade e chuva, etc., e pode simular diversos climas naturais.
1) Seleção da fonte de luz
Fontes de luz artificial comumente usadas incluem lâmpadas de arco de xenônio, lâmpadas de iodetos metálicos e lâmpadas fluorescentes ultravioleta. As lâmpadas fluorescentes UV podem simular muito bem a luz solar nas faixas UV de ondas médias e UV de ondas curtas. As lâmpadas de arco de xenônio e as lâmpadas de iodetos metálicos podem simular muito bem a luz solar em todo o espectro. Portanto, as câmaras de teste que usam lâmpadas de xenônio e lâmpadas de iodetos metálicos como fontes de luz podem simular bem a radiação solar, enquanto as câmaras de envelhecimento que usam lâmpadas ultravioleta fluorescentes não se destinam a imitar a luz solar, mas apenas simular o efeito de envelhecimento da luz solar. Além disso, existem no mercado caixas antigas que utilizam lâmpadas de arco de carbono como fonte de luz. No entanto, o espectro do arco de carbono não tem uma boa correlação com o espectro da luz solar, e o uso do teste de lâmpadas de arco de carbono ocorre por razões históricas.
2) Relevância do envelhecimento acelerado
A correlação refere-se ao grau de consistência entre os resultados do envelhecimento acelerado em laboratório e os resultados do envelhecimento do material no ambiente de uso real. Somente quando o teste de envelhecimento acelerado é relevante ele pode realmente refletir a resistência do material às intempéries e prever verdadeiramente a vida útil do material. Testes acelerados irracionais reduzirão a relevância do teste e até perderão seu significado.
3) A tendência de desenvolvimento do envelhecimento acelerado em laboratórios
Conforme mencionado no início, os fatores que influenciam o envelhecimento do material incluem radiação solar, temperatura, água e outros fatores. O envelhecimento dos materiais é resultado da ação conjunta desses fatores, mas não é uma simples superposição dos efeitos de diversos fatores. A sinergia entre eles também precisa ser considerada. Portanto, uma simulação mais abrangente do ambiente real de uso do material pode levar a melhores resultados relevantes. Por exemplo, de acordo com a norma ISO 20340, o teste é baseado num ciclo de 7 dias. Do 1º ao 3º dia é realizado um teste UV com ciclo claro e escuro conforme ISO 11507. Do 4º ao 6º dia é realizado um teste de névoa salina conforme ISO 9227. No 7º dia ({{9} } Teste de baixa temperatura de ±2) graus. Comparado com o teste tradicional de resistência às intempéries, ele integra mais fatores que influenciam o envelhecimento e está mais alinhado com as condições reais de uso do material, para que possa refletir melhor o envelhecimento real do material. Sabemos que o mofo, a concentração de ozônio, etc., têm um impacto importante no envelhecimento dos produtos plásticos. Como integrar mais fatores de envelhecimento nos testes será uma das direções de desenvolvimento do envelhecimento acelerado em laboratórios.
05 Métodos para antienvelhecimento de materiais poliméricos
Atualmente, os principais métodos para melhorar e aprimorar as propriedades antienvelhecimento dos materiais poliméricos incluem o seguinte:
1. Proteção física (como espessamento, pintura, composição da camada externa, etc.)
O envelhecimento dos materiais poliméricos, especialmente o envelhecimento fotooxigênio, começa primeiro na superfície do material ou produto, manifestando-se como descoloração, formação de pó, rachaduras, perda de brilho, etc., e então penetra gradualmente mais profundamente no interior. Os produtos finos têm maior probabilidade de falhar prematuramente do que os produtos grossos, portanto, a vida útil do produto pode ser estendida pelo espessamento do produto. Para produtos com tendência ao envelhecimento, pode-se aplicar uma camada de revestimento com boa resistência às intempéries na superfície, ou compor uma camada de material com boa resistência às intempéries na camada externa do produto para fixar uma camada protetora à superfície do produto. produtos. Retardar o processo de envelhecimento.
2. Melhorar a tecnologia de processamento
Muitos materiais também apresentam problemas de envelhecimento durante o processo de síntese ou preparação. Por exemplo, a influência do calor durante a polimerização, envelhecimento térmico do oxigênio durante o processamento, etc. Correspondentemente, o impacto do oxigênio pode ser mitigado adicionando um dispositivo de remoção de oxigênio ou um dispositivo de vácuo durante a polimerização ou processamento. Porém, este método só pode garantir o desempenho do material na saída da fábrica, e este método só pode ser implementado a partir da origem da preparação do material, não podendo resolver o problema de envelhecimento durante o seu reprocessamento e utilização.
3. Projeto estrutural ou modificação de materiais poliméricos
Muitos materiais poliméricos contêm grupos que são muito suscetíveis ao envelhecimento em sua estrutura molecular. Portanto, através do projeto da estrutura molecular do material, a substituição dos grupos propensos ao envelhecimento por grupos não propensos ao envelhecimento pode muitas vezes alcançar bons resultados. Ou, grupos funcionais ou estruturas com efeitos antienvelhecimento podem ser introduzidos na cadeia polimérica através de enxerto ou copolimerização, conferindo ao próprio material excelentes funções antienvelhecimento. Este também é um método frequentemente utilizado por pesquisadores, mas o custo é relativamente alto. A produção e aplicação em grande escala e em grande escala não podem ser alcançadas por enquanto.
4. Adicione aditivos antienvelhecimento
Atualmente, uma forma eficaz e comum de melhorar a resistência ao envelhecimento dos materiais poliméricos é adicionar aditivos antienvelhecimento, que são amplamente utilizados devido ao seu baixo custo e à ausência de alterações nos processos de produção existentes. Existem duas maneiras principais de adicionar esses aditivos antienvelhecimento:
Método de adição direta de aditivos: ou seja, o aditivo antienvelhecimento (pó ou líquido) é diretamente misturado e agitado com matérias-primas como resina e depois extrusado para granulação ou moldagem por injeção, etc. para implementar, é amplamente utilizado pela maioria das fábricas de pelotização e moldagem por injeção.
Método de adição de masterbatch antienvelhecimento: Fabricantes com requisitos mais elevados de qualidade e estabilidade de qualidade do produto usam com mais frequência o método de adição de masterbatch antienvelhecimento durante a produção. O masterbatch antienvelhecimento é obtido usando uma resina adequada como transportador, misturada com uma variedade de aditivos antienvelhecimento eficientes e depois coextrusada e granulada por uma extrusora de rosca dupla. Sua vantagem de aplicação está na utilização de aditivos antienvelhecimento no processo de preparação do masterbatch. Primeiramente, a pré-dispersão é alcançada e, posteriormente, no posterior processo de processamento do material, os aditivos antienvelhecimento são dispersos secundáriamente, atingindo o objetivo de dispersão uniforme dos aditivos na matriz do material polimérico, o que não só garante a estabilidade da qualidade do produto, mas também evita a poluição por poeira durante a produção, tornando a produção mais verde e ecologicamente correta.