Tipos de envejecimiento, pruebas de envejecimiento y métodos antienvejecimiento de materiales poliméricos.
01 Estado actual del desarrollo de materiales poliméricos.
Los materiales poliméricos, debido a sus excelentes propiedades como peso ligero, alta resistencia, resistencia a la temperatura y resistencia a la corrosión, ahora se utilizan ampliamente en muchos campos, como la fabricación de alta gama, la información electrónica, el transporte, la conservación de energía en los edificios, el sector aeroespacial y el nacional. industrias militares y de defensa. jugó un papel enorme.
No sólo es una importante industria básica de la economía nacional, sino también una industria líder del país;
No es solo una industria estratégica emergente en la industria petroquímica, sino también un importante material de apoyo para industrias estratégicas emergentes como la información electrónica, la aeroespacial, la defensa nacional y las nuevas energías;
No sólo tiene un alto contenido tecnológico y un alto valor agregado, sino que también es una dirección importante para la transformación y modernización de la industria petroquímica.
Por lo tanto, los materiales poliméricos siempre han sido un área de desarrollo al que los países desarrollados y las empresas multinacionales conceden gran importancia. Esto no solo proporciona un amplio espacio de mercado para la industria de nuevos materiales poliméricos, sino que también plantea requisitos más altos para su rendimiento de calidad, nivel de confiabilidad y capacidades de soporte.
Por lo tanto, cada vez se presta más atención a cómo maximizar las funciones de los productos de materiales poliméricos basándose en los principios de conservación de energía, bajas emisiones de carbono y desarrollo ecológico. El envejecimiento es un factor importante que afecta la confiabilidad y durabilidad de los materiales poliméricos.
02 Tipos de envejecimiento de materiales poliméricos.
Durante el procesamiento, almacenamiento y uso de materiales poliméricos, debido a la combinación de factores internos y externos, sus propiedades se deterioran gradualmente y eventualmente pierden su valor de uso. Este fenómeno pertenece al envejecimiento de los materiales poliméricos.
Esto no sólo provoca un desperdicio de recursos, sino que incluso puede provocar accidentes mayores debido a fallos funcionales, y la descomposición de materiales provocada por el envejecimiento también puede contaminar el medio ambiente.
Debido a los diferentes tipos de polímeros y diferentes condiciones de uso, tienen diferentes fenómenos y características de envejecimiento. En general, el envejecimiento de los materiales poliméricos se puede clasificar en los siguientes cuatro tipos de cambios:
1. Cambios de apariencia
La aparición de manchas, manchas, rayas, grietas, eflorescencias, tiza, pegajosidad, deformaciones, ojos de pez, arrugas, encogimiento, quemaduras, distorsión óptica y cambios en el color óptico.
2. Cambios en las propiedades físicas.
Incluyendo cambios en solubilidad, hinchazón, propiedades reológicas, resistencia al frío, resistencia al calor, permeabilidad al agua, permeabilidad al aire y otras propiedades.
3. Cambios en las propiedades mecánicas.
Cambios en la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión, la resistencia al corte, la resistencia al impacto, el alargamiento relativo, la relajación de tensiones y otras propiedades.
4. Cambios en las propiedades eléctricas.
Como cambios en la resistencia de la superficie, la resistencia del volumen, la constante dieléctrica, la resistencia a la ruptura eléctrica, etc.
03 Factores que provocan el envejecimiento de los materiales poliméricos.
1. Macroanálisis
Porque durante el procesamiento y uso de polímeros, estarán sujetos a los efectos combinados de factores ambientales como calor, oxígeno, agua, luz, microorganismos y medios químicos. Su composición química y estructura sufrirán una serie de cambios y sus propiedades físicas también cambiarán en consecuencia. Deterioro, como dureza, pegajosidad, fragilidad, decoloración, pérdida de resistencia, etc. Estos cambios y fenómenos se denominan envejecimiento.
2. Análisis microscópico
Los polímeros de alto peso molecular formarán moléculas en estado excitado bajo la acción del calor o la luz. Cuando la energía es lo suficientemente alta, las cadenas moleculares se romperán para formar radicales libres. Los radicales libres pueden formar reacciones en cadena dentro del polímero, continuar causando degradación y pueden provocar reticulación.
Si hay oxígeno u ozono en el medio ambiente, se inducirá una serie de reacciones de oxidación para formar hidroperóxidos (ROOH), que se descompondrán aún más en grupos carbonilo.
Si hay iones metálicos catalizadores residuales en el polímero, o se introducen iones metálicos como cobre, hierro, manganeso, cobalto, etc. durante el procesamiento y uso, la reacción de degradación oxidativa del polímero se acelerará.
04 prueba de envejecimiento
En el desarrollo o mejora de nuevos materiales, para verificar su vida útil o efecto antienvejecimiento, se requieren pruebas de envejecimiento. Las pruebas de envejecimiento comunes incluyen el envejecimiento natural y el envejecimiento acelerado en laboratorio.
1.Envejecimiento natural
El envejecimiento natural consiste en exponer la muestra del material directamente al entorno natural. Por lo general, la muestra se instala en el bastidor de exposición en un ángulo determinado. Los ángulos de exposición comunes son 5 grados, 45 grados y 90 grados. Los estándares de prueba relevantes incluyen Plásticos ISO 877: Métodos de exposición a la radiación solar; ISO2810 Pinturas y barnices - Envejecimiento natural de revestimientos - Exposición y evaluación; Práctica estándar ASTMG7 para pruebas de exposición ambiental atmosférica de materiales no metálicos, etc.
El método de prueba de envejecimiento natural es simple y de bajo costo, pero su ciclo de prueba es demasiado largo, lo que afecta el progreso de optimización del diseño del producto. Además, dado que se trata de un entorno natural y las condiciones climáticas no se pueden controlar, para garantizar la reproducibilidad de los resultados de la prueba, la selección del lugar de prueba es particularmente importante. Estados Unidos estableció un campo de clima natural en el sur de Florida en 1931, que es un campo de exposición al clima cálido y húmedo estándar en los Estados Unidos. El sitio de prueba establecido en el centro de Arizona es un sitio estándar de exposición al calor seco. El sitio de prueba de exposición a Turpan del Centro Nacional de Inspección y Supervisión de Calidad de Productos de Vehículos Motorizados de mi país también es un sitio típico de exposición a climas secos y cálidos. La temperatura máxima en la zona de Turpan de mayo a agosto es superior a 40 grados, la temperatura máxima extrema es de 49,6 grados y la precipitación media anual es de sólo 8 mm. El campo de exposición en Qionghai, Hainan, tiene condiciones climáticas típicas cálidas y húmedas. La temperatura media anual es de 27,4 grados y la precipitación media anual llega a 2134 mm.
2. Envejecimiento acelerado en el laboratorio
Para acelerar el ciclo de prueba y obtener datos de envejecimiento más rápidamente, el laboratorio suele utilizar fuentes de luz artificial para simular la radiación solar, igualar diferentes condiciones de temperatura, humedad y lluvia, etc., y puede simular varios climas naturales.
1) Selección de fuente de luz.
Las fuentes de luz artificial comúnmente utilizadas incluyen lámparas de arco de xenón, lámparas de halogenuros metálicos y lámparas fluorescentes ultravioleta. Las lámparas fluorescentes UV pueden simular muy bien la luz solar en los rangos de UV de onda media y UV de onda corta. Las lámparas de arco de xenón y las lámparas de halogenuros metálicos pueden simular muy bien la luz solar en todo el espectro. Por lo tanto, las cámaras de prueba que utilizan lámparas de xenón y lámparas de halogenuros metálicos como fuentes de luz pueden simular bien la radiación solar, mientras que las cámaras de envejecimiento que utilizan lámparas ultravioleta fluorescentes no pretenden imitar la luz solar, sino solo simular el efecto de envejecimiento de la luz solar. Además, existen en el mercado cajas antiguas que utilizan lámparas de arco de carbono como fuente de luz. Sin embargo, el espectro del arco de carbono no tiene una buena correlación con el espectro de la luz solar, y el uso de pruebas con lámparas de arco de carbono se debe a razones históricas.
2) Relevancia del envejecimiento acelerado
La correlación se refiere al grado de coherencia entre los resultados del envejecimiento acelerado en el laboratorio y los resultados del envejecimiento del material en el entorno de uso real. Sólo cuando la prueba de envejecimiento acelerado es relevante puede reflejar verdaderamente la resistencia a la intemperie del material y predecir verdaderamente la vida útil del material. Las pruebas aceleradas irrazonables reducirán la relevancia de la prueba e incluso perderán su significado.
3) La tendencia de desarrollo del envejecimiento acelerado en los laboratorios.
Como se mencionó al principio, los factores que influyen en el envejecimiento de los materiales incluyen la radiación solar, la temperatura, el agua y otros factores. El envejecimiento de los materiales es el resultado de la acción conjunta de estos factores, pero no es una simple superposición de los efectos de varios factores. También es necesario considerar la sinergia entre ellos. Por lo tanto, una simulación más completa del entorno de uso real del material puede conducir a mejores resultados relevantes. Por ejemplo, según la norma ISO 20340, la prueba se basa en un ciclo de 7 días. Del 1.º al 3.º día, se realiza una prueba UV con un ciclo de luz y oscuridad según ISO 11507. Del 4.º al 6.º día, se realiza una prueba de niebla salina según ISO 9227. El 7.º día ({{9} } Prueba de baja temperatura de ±2) grados. En comparación con la prueba de resistencia a la intemperie tradicional, integra más factores que influyen en el envejecimiento y está más en línea con las condiciones de uso reales del material, por lo que puede reflejar mejor el envejecimiento real del material. Sabemos que el moho, la concentración de ozono, etc. tienen un impacto importante en el envejecimiento de los productos plásticos. Cómo integrar más factores de envejecimiento en las pruebas será una de las direcciones de desarrollo del envejecimiento acelerado en los laboratorios.
05 Métodos para el antienvejecimiento de materiales poliméricos.
En la actualidad, los principales métodos para mejorar y potenciar las propiedades antienvejecimiento de los materiales poliméricos incluyen los siguientes:
1. Protección física (como espesamiento, pintura, composición de capas exteriores, etc.)
El envejecimiento de los materiales poliméricos, especialmente el envejecimiento por fotooxígeno, comienza primero en la superficie del material o producto, manifestándose como decoloración, formación de polvo, agrietamiento, pérdida de brillo, etc., y luego penetra gradualmente más profundamente en el interior. Los productos delgados tienen más probabilidades de fallar prematuramente que los productos gruesos, por lo que la vida útil del producto se puede extender al espesarlo. Para productos propensos al envejecimiento, puede aplicar una capa de recubrimiento con buena resistencia a la intemperie en la superficie o combinar una capa de material con buena resistencia a la intemperie en la capa exterior del producto para unir una capa protectora a la superficie del producto. Ralentizar el proceso de envejecimiento.
2. Mejorar la tecnología de procesamiento
Muchos materiales también presentan problemas de envejecimiento durante el proceso de síntesis o preparación. Por ejemplo, la influencia del calor durante la polimerización, el envejecimiento térmico del oxígeno durante el procesamiento, etc. En consecuencia, el impacto del oxígeno se puede mitigar agregando un dispositivo de eliminación de oxígeno o un dispositivo de vacío durante la polimerización o el procesamiento. Sin embargo, este método solo puede garantizar el rendimiento del material cuando sale de fábrica, y este método solo puede implementarse desde la fuente de preparación del material y no puede resolver el problema de envejecimiento durante su reprocesamiento y uso.
3. Diseño estructural o modificación de materiales poliméricos
Muchos materiales poliméricos contienen grupos que son muy susceptibles al envejecimiento en su estructura molecular. Por lo tanto, a través del diseño de la estructura molecular del material, reemplazar los grupos que son propensos al envejecimiento por grupos que no son propensos al envejecimiento a menudo puede lograr buenos resultados. O bien, se pueden introducir grupos funcionales o estructuras con efectos antienvejecimiento en la cadena del polímero mediante injerto o copolimerización, otorgando al material en sí excelentes funciones antienvejecimiento. Este también es un método utilizado frecuentemente por los investigadores, pero el costo es relativamente alto. Por el momento no es posible lograr una producción y una aplicación elevadas y a gran escala.
4. Añade aditivos antienvejecimiento.
En la actualidad, una forma eficaz y común de mejorar la resistencia al envejecimiento de los materiales poliméricos es añadir aditivos antienvejecimiento, que se utilizan ampliamente debido a su bajo coste y la ausencia de cambios en los procesos de producción existentes. Hay dos formas principales de añadir estos aditivos antienvejecimiento:
Método de adición directa de aditivos: es decir, el aditivo antienvejecimiento (en polvo o líquido) se mezcla y agita directamente con materias primas como resina y luego se extruye para granulación o moldeo por inyección, etc. Porque este método de adición es simple y fácil. Para implementarlo, es ampliamente utilizado por la mayoría de las fábricas de peletización y moldeo por inyección.
Método de adición de masterbatch antienvejecimiento: los fabricantes con mayores requisitos de calidad y estabilidad del producto utilizan con mayor frecuencia el método de agregar masterbatch antienvejecimiento durante la producción. El masterbatch antienvejecimiento se obtiene utilizando una resina adecuada como portador, mezclada con una variedad de aditivos antienvejecimiento eficientes y luego coextruida y granulada mediante una extrusora de doble tornillo. La ventaja de su aplicación radica en el uso de aditivos antienvejecimiento en el proceso de preparación del masterbatch. En primer lugar, se logra la dispersión previa y luego, en el proceso posterior de procesamiento del material, los aditivos antienvejecimiento se dispersan secundariamente, logrando el propósito de una dispersión uniforme de los aditivos en la matriz del material polimérico, lo que no solo garantiza la estabilidad de la calidad del Producto, pero también evita la contaminación por polvo durante la producción, haciendo que la producción sea más ecológica y respetuosa con el medio ambiente.