El envejecimiento de los materiales poliméricos de caucho suele ser inseparable de la cámara de prueba de envejecimiento. Elcámara de prueba de envejecimiento del ozonoEs un equipo de prueba esencial para materiales de caucho. La cámara de prueba de envejecimiento con ozono puede detectar la confiabilidad de los productos de caucho, detectar sus defectos y luego mejorar y mejorar la competitividad del producto, ayudando así a las empresas a controlar los costos y aumentar las ganancias.
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Los materiales poliméricos incluyen plásticos, caucho, fibras, películas, adhesivos y revestimientos. Debido a sus muchas propiedades potenciales superiores a los materiales estructurales tradicionales, se utilizan cada vez más en los campos militar y civil. Los materiales poliméricos son livianos, de alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y tienen buenas propiedades protectoras. Se utilizan ampliamente en aviación, automóviles, barcos, infraestructura, productos militares y otros campos.
Sin embargo, durante el procesamiento, almacenamiento y uso, debido a los efectos combinados de factores internos y externos como la luz, el calor, el oxígeno, el agua, la radiación de alta energía, la erosión química y biológica, la composición química y la estructura de los materiales poliméricos sufrirán un serie de cambios, y las propiedades físicas también se deteriorarán en consecuencia, como endurecimiento, pegajosidad, fragilidad, decoloración, pérdida de resistencia, etc. Este fenómeno se denomina envejecimiento de los materiales poliméricos. La esencia del envejecimiento del material polimérico se refiere a los cambios en la estructura física o química, que se manifiesta como la disminución gradual del rendimiento del material y la pérdida de su debido valor de uso.
El envejecimiento y la falla de los materiales poliméricos se han convertido en una de las cuestiones clave que restringen el desarrollo y la aplicación de materiales poliméricos.
Fenómeno del envejecimiento
Debido a las diferentes variedades de polímeros y a las diferentes condiciones de uso, existen diferentes fenómenos y características de envejecimiento. Por ejemplo, la película plástica agrícola cambia de color, se vuelve quebradiza y tiene una transparencia reducida después de exponerse al sol y la lluvia; el plexiglás de aviación desarrolla vetas plateadas y tiene una transparencia reducida después de un uso prolongado; los productos de caucho pierden elasticidad, se endurecen, se agrietan o se vuelven blandos y pegajosos después de un uso prolongado; La pintura pierde brillo, polvo, burbujas y se pela después de un uso prolongado. El fenómeno del envejecimiento se puede resumir en los siguientes cuatro cambios:
1. Cambios de apariencia
Manchas, manchas, vetas plateadas, grietas, escarcha, formación de polvo, 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 y resistencia al frío, resistencia al calor, permeabilidad al agua y permeabilidad al aire.
3. Cambios en las propiedades mecánicas.
Cambios en propiedades como resistencia a la tracción, resistencia a la flexión, resistencia al corte, resistencia al impacto, alargamiento relativo y relajación de tensiones.
4. Cambios en las propiedades eléctricas.
Como cambios en la resistencia de la superficie, la resistencia del volumen, la constante dieléctrica y la resistencia a la ruptura eléctrica.
Factores de envejecimiento
Las propiedades físicas de los materiales poliméricos están estrechamente relacionadas con su estructura química y estructura agregada. La estructura química es una estructura de cadena larga de macromoléculas conectadas por enlaces covalentes, y la estructura agregada es una estructura espacial en la que muchas macromoléculas están dispuestas y apiladas por fuerzas moleculares, como cristalina, amorfa y cristalina-amorfa.
Las fuerzas intermoleculares que mantienen la estructura agregada incluyen fuerzas de enlace iónico, fuerzas de enlace metálico, fuerzas de enlace covalente y fuerzas de van der Waals. Los factores ambientales pueden provocar cambios en las fuerzas intermoleculares, incluso roturas de cadenas o desprendimiento de ciertos grupos, lo que eventualmente destruirá la estructura agregada del material y cambiará las propiedades físicas del material. Generalmente hay dos factores que afectan el envejecimiento de los materiales poliméricos: factores internos y factores externos.
Factores internos
1. Estructura química de los polímeros.
El envejecimiento de los polímeros está estrechamente relacionado con su propia estructura química. Las partes con enlaces débiles de la estructura química se ven fácilmente afectadas por factores externos y se rompen para convertirse en radicales libres. Este radical libre es el punto de partida para iniciar reacciones de radicales libres.
2. Forma física
Algunos de los enlaces moleculares de los polímeros están ordenados, mientras que otros están desordenados. Los enlaces moleculares ordenados pueden formar áreas cristalinas, y los enlaces moleculares desordenados son áreas amorfas. La morfología de muchos polímeros no es uniforme, sino semicristalina, con áreas tanto cristalinas como amorfas. La reacción de envejecimiento comienza en la zona amorfa.
3. Regularidad estereoscópica
La regularidad estereoscópica de un polímero está estrechamente relacionada con su cristalinidad. Generalmente, los polímeros regulares tienen mejor resistencia al envejecimiento que los polímeros aleatorios.
4. Peso molecular y su distribución general.
El peso molecular de un polímero tiene poco que ver con el envejecimiento, pero la distribución del peso molecular tiene una gran influencia en el comportamiento del polímero ante el envejecimiento. Cuanto más amplia es la distribución, más fácil es envejecer, porque cuanto más amplia es la distribución, más grupos terminales y más fácil es provocar reacciones de envejecimiento.
5. Trazas de impurezas metálicas y otras impurezas.
Cuando se procesan polímeros, entran en contacto con metales y es posible que se mezclen trazas de metales o que queden algunos catalizadores metálicos durante la polimerización, lo que afectará el inicio de la autooxidación (es decir, el envejecimiento).
Factores externos
1. La influencia de la temperatura
A medida que aumenta la temperatura, se intensifica el movimiento de las cadenas de polímeros. Una vez que se excede la energía de disociación de los enlaces químicos, se producirá la degradación térmica de las cadenas poliméricas o la pérdida de grupos. En la actualidad, existe una gran cantidad de informes bibliográficos sobre la degradación térmica de materiales poliméricos; cuando la temperatura disminuye, las propiedades mecánicas del material suelen verse afectadas. Los puntos de temperatura críticos estrechamente relacionados con las propiedades mecánicas incluyen la temperatura de transición vítrea T, la temperatura de flujo viscoso Tf y el punto de fusión Tm. El estado físico del material se puede dividir en estado vítreo, estado de alta elasticidad y estado de flujo viscoso.
2. La influencia de la humedad
La influencia de la humedad en los materiales poliméricos se puede atribuir a la hinchazón y disolución del agua en el material, lo que cambia las fuerzas intermoleculares que mantienen la estructura agregada del material polimérico, destruyendo así el estado agregado del material. Especialmente para los polímeros amorfos no reticulados, la influencia de la humedad es extremadamente obvia, lo que hará que el material polimérico se hinche o incluso se desintegre en el estado agregado, dañando así el rendimiento del material; para plásticos o fibras cristalinas, debido a la existencia de restricciones de penetración de agua, la influencia de la humedad no es muy evidente.
3. La influencia del oxígeno
El oxígeno es la principal causa del envejecimiento de los materiales poliméricos. Debido a la permeabilidad del oxígeno, los polímeros cristalinos son más resistentes a la oxidación que los polímeros amorfos. El oxígeno ataca primero los eslabones débiles de la cadena principal de los polímeros, como los dobles enlaces, los grupos hidroxilo, los grupos de hidrógeno o los átomos de carbono terciarios, formando radicales peroxilo o peróxidos del polímero, y luego provoca que la cadena principal se rompa en esta posición. En casos severos, el peso molecular del polímero disminuye significativamente, la temperatura de transición vítrea disminuye y el polímero se vuelve pegajoso. En presencia de ciertos iniciadores o elementos de metales de transición que se descomponen fácilmente en radicales libres, existe una tendencia a intensificar la reacción de oxidación.
4. Fotoenvejecimiento
Que el polímero se exponga a la luz y provoque la rotura de la cadena molecular depende del tamaño relativo de la energía luminosa y de la energía de disociación y de la sensibilidad de la estructura química del polímero a las ondas de luz. Debido a la presencia de la capa de ozono y la atmósfera en la superficie de la tierra, el rango de longitud de onda de la luz solar que puede llegar al suelo está entre 290 nm y 4300 nm. Sólo las ondas de luz en la región ultravioleta tienen una energía de onda de luz mayor que la energía de disociación del enlace químico, lo que hará que los enlaces químicos de los polímeros se rompan.
Por ejemplo, las longitudes de onda ultravioleta de 300 nm a 400 nm pueden ser absorbidas por polímeros que contienen grupos carbonilo y dobles enlaces, lo que provoca la rotura de cadenas macromoleculares, cambios en las estructuras químicas y deterioro de las propiedades de los materiales; el tereftalato de polietileno tiene una fuerte absorción de rayos ultravioleta de 280 nm y los productos de degradación son principalmente CO, H y CH; Las poliolefinas que contienen solo enlaces CC no absorben rayos ultravioleta, pero en presencia de una pequeña cantidad de impurezas, como grupos carbonilo, enlaces insaturados, grupos hidroperóxido, residuos de catalizadores, hidrocarburos aromáticos y elementos de metales de transición, pueden promover la fotooxidación. reacción de poliolefinas.
5. Influencia de los medios químicos.
Los medios químicos sólo pueden desempeñar un papel cuando penetran en el interior de los materiales poliméricos. Estos efectos incluyen enlaces covalentes y enlaces secundarios. El efecto de los enlaces covalentes se manifiesta como escisión de cadenas, entrecruzamiento, adición o una combinación de estos efectos de las cadenas poliméricas. Este es un proceso químico irreversible; Aunque la destrucción de enlaces secundarios por medios químicos no provoca cambios en la estructura química, la estructura agregada del material cambiará, provocando los correspondientes cambios en sus propiedades físicas.
Los cambios físicos, como el agrietamiento por tensión ambiental, el agrietamiento por disolución y la plastificación, son manifestaciones típicas del envejecimiento químico de los materiales poliméricos.
La forma de eliminar el agrietamiento por disolución es eliminar la tensión interna del material. El recocido después de que se forma el material favorece la eliminación de la tensión interna del material. La plastificación se produce cuando el medio líquido está en contacto continuo con el material polimérico. La interacción entre el polímero y el medio de molécula pequeña reemplaza parcialmente la interacción entre los polímeros, haciendo que los segmentos de la cadena del polímero sean más fáciles de mover, lo que se manifiesta como una disminución en la temperatura de transición vítrea, una disminución en la resistencia, dureza y módulo elástico de del material y un aumento del alargamiento de rotura.
6. Envejecimiento biológico
Dado que casi todos los productos de plástico utilizan una variedad de aditivos durante el proceso de procesamiento, a menudo se convierten en una fuente de alimento para el moho. Cuando el moho crece, absorbe nutrientes en la superficie y el interior del plástico y se convierte en micelio, que también es conductor, reduciendo así el aislamiento del plástico, cambiando su peso y pelándose en casos severos. Los metabolitos del crecimiento del moho contienen ácidos orgánicos y toxinas, que harán que la superficie del plástico sea pegajosa, decolorada, quebradiza y reducirán su suavidad, y también causarán que las personas que tienen contacto prolongado con dichos plásticos mohosos contraigan enfermedades.
Los polímeros naturales de polisacáridos y sus compuestos modificados se pueden procesar en películas, láminas, recipientes, productos de espuma, etc. desechables degradables mediante mezcla y modificación con plásticos generales. Sus desechos pueden hidrolizarse gradualmente en pequeños compuestos moleculares mediante la intervención de enzimas de descomposición de polímeros naturales de polisacáridos, como la amilasa, que están ampliamente presentes en el entorno natural, y finalmente descomponerse en dióxido de carbono y agua libres de contaminación, regresando a la biosfera. Basándose en estas ventajas, los compuestos poliméricos naturales de polisacáridos representados por el almidón siguen siendo un componente importante de los plásticos degradables.
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