Các loại lão hóa, thử nghiệm lão hóa và phương pháp chống lão hóa của vật liệu polyme
01 Hiện trạng phát triển vật liệu polyme
Vật liệu polyme do có các đặc tính ưu việt như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, chịu nhiệt độ và chống ăn mòn nên hiện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất cao cấp, thông tin điện tử, giao thông vận tải, bảo tồn năng lượng xây dựng, hàng không vũ trụ và quốc gia. công nghiệp quốc phòng và quân sự. đã đóng một vai trò rất lớn.
Đây không chỉ là ngành công nghiệp cơ bản quan trọng của nền kinh tế quốc dân mà còn là ngành công nghiệp hàng đầu của đất nước;
Nó không chỉ là ngành công nghiệp mới nổi chiến lược trong ngành hóa dầu mà còn là vật liệu hỗ trợ quan trọng cho các ngành công nghiệp mới nổi chiến lược như thông tin điện tử, hàng không vũ trụ, quốc phòng và năng lượng mới;
Không chỉ có hàm lượng công nghệ cao, giá trị gia tăng cao mà còn là hướng quan trọng để chuyển đổi, nâng cấp ngành hóa dầu.
Vì vậy, vật liệu polymer luôn là lĩnh vực phát triển được các nước phát triển và các công ty đa quốc gia rất coi trọng. Điều này không chỉ cung cấp không gian thị trường rộng lớn cho ngành công nghiệp vật liệu polymer mới mà còn đặt ra các yêu cầu cao hơn về hiệu suất chất lượng, mức độ tin cậy và khả năng hỗ trợ.
Vì vậy, làm thế nào để phát huy tối đa chức năng của các sản phẩm vật liệu polymer dựa trên nguyên tắc bảo tồn năng lượng, phát triển sinh thái và carbon thấp ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm. Lão hóa là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ tin cậy và độ bền của vật liệu polymer.
02 Các loại lão hóa của vật liệu polyme
Trong quá trình xử lý, bảo quản và sử dụng vật liệu polyme, do tác động tổng hợp của các yếu tố bên trong và bên ngoài, tính chất của chúng dần bị suy giảm và cuối cùng mất đi giá trị sử dụng. Hiện tượng này thuộc về sự lão hóa của vật liệu polymer.
Điều này không chỉ gây lãng phí tài nguyên mà thậm chí có thể dẫn đến tai nạn lớn hơn do hỏng chức năng, vật liệu phân hủy do lão hóa cũng có thể gây ô nhiễm môi trường.
Do các loại polyme khác nhau và điều kiện sử dụng khác nhau nên chúng có hiện tượng và đặc điểm lão hóa khác nhau. Nói chung, sự lão hóa của vật liệu polymer có thể được phân thành bốn loại thay đổi sau:
1. Thay đổi về ngoại hình
Sự xuất hiện của các vết ố, đốm, vệt, vết nứt, nở hoa, phấn hóa, dính, cong vênh, mắt cá, nhăn, co ngót, cháy xém, biến dạng quang học và thay đổi màu sắc quang học.
2. Thay đổi tính chất vật lý
Bao gồm những thay đổi về độ hòa tan, độ trương nở, tính chất lưu biến, khả năng chịu lạnh, khả năng chịu nhiệt, tính thấm nước, tính thấm khí và các tính chất khác.
3. Thay đổi tính chất cơ học
Những thay đổi về độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền cắt, độ bền va đập, độ giãn dài tương đối, độ giãn ứng suất và các đặc tính khác.
4. Thay đổi tính chất điện
Chẳng hạn như sự thay đổi điện trở bề mặt, điện trở thể tích, hằng số điện môi, cường độ đánh thủng điện, v.v.
03 Yếu tố gây lão hóa của vật liệu polyme
1. Phân tích vĩ mô
Bởi trong quá trình xử lý và sử dụng polyme sẽ chịu tác động tổng hợp của các yếu tố môi trường như nhiệt, oxy, nước, ánh sáng, vi sinh vật và môi trường hóa học. Thành phần và cấu trúc hóa học của chúng sẽ trải qua một loạt thay đổi và tính chất vật lý của chúng cũng sẽ thay đổi tương ứng. Sự xuống cấp, chẳng hạn như độ cứng, độ dính, độ giòn, sự đổi màu, mất độ bền, v.v. Những thay đổi và hiện tượng này được gọi là lão hóa.
2. Phân tích bằng kính hiển vi
Các polyme phân tử cao sẽ hình thành các phân tử ở trạng thái kích thích dưới tác dụng của nhiệt hoặc ánh sáng. Khi năng lượng đủ cao, các chuỗi phân tử sẽ bị đứt tạo thành các gốc tự do. Các gốc tự do có thể hình thành các phản ứng dây chuyền bên trong polyme, tiếp tục gây thoái hóa và có thể gây ra liên kết ngang.
Nếu có oxy hoặc ozon trong môi trường, một loạt phản ứng oxy hóa sẽ được tạo ra để tạo thành hydroperoxide (ROOH), chúng sẽ tiếp tục phân hủy thành các nhóm carbonyl.
Nếu còn sót lại các ion kim loại xúc tác trong polyme hoặc các ion kim loại như đồng, sắt, mangan, coban, v.v. được đưa vào trong quá trình xử lý và sử dụng thì phản ứng phân hủy oxy hóa của polyme sẽ được tăng tốc.
04 Kiểm tra lão hóa
Trong quá trình phát triển hoặc cải tiến vật liệu mới, để xác minh tuổi thọ sử dụng hoặc tác dụng chống lão hóa của chúng, cần phải thử nghiệm lão hóa. Các thử nghiệm lão hóa thông thường bao gồm lão hóa tự nhiên và lão hóa nhanh trong phòng thí nghiệm.
1. Lão hóa tự nhiên
Lão hóa tự nhiên là để mẫu vật liệu tiếp xúc trực tiếp với môi trường tự nhiên. Thông thường mẫu được lắp đặt trên giá phơi sáng ở một góc nhất định. Các góc phơi sáng phổ biến là 5 độ, 45 độ và 90 độ. Các tiêu chuẩn thử nghiệm liên quan bao gồm ISO 877 Nhựa - Phương pháp tiếp xúc với bức xạ mặt trời; ISO2810 Sơn và vecni - Phong hóa tự nhiên của lớp phủ - Tiếp xúc và đánh giá; Tiêu chuẩn thực hành ASTMG7 để thử nghiệm phơi nhiễm môi trường khí quyển của vật liệu phi kim loại, v.v.
Phương pháp thử nghiệm lão hóa tự nhiên đơn giản và chi phí thấp nhưng chu kỳ thử nghiệm quá dài, ảnh hưởng đến tiến độ tối ưu hóa thiết kế sản phẩm. Hơn nữa, vì đây là môi trường tự nhiên và không thể kiểm soát được điều kiện khí hậu nên để đảm bảo khả năng tái tạo kết quả thử nghiệm, việc lựa chọn địa điểm thử nghiệm là đặc biệt quan trọng. Hoa Kỳ đã thành lập trường khí hậu tự nhiên ở Nam Florida vào năm 1931, đây là trường tiếp xúc với khí hậu nóng ẩm tiêu chuẩn ở Hoa Kỳ. Địa điểm thử nghiệm được thành lập ở trung tâm Arizona là địa điểm tiếp xúc với nhiệt khô tiêu chuẩn. Địa điểm thử nghiệm phơi nhiễm Turpan của Trung tâm giám sát và kiểm tra chất lượng sản phẩm xe cơ giới quốc gia của đất nước tôi cũng là một địa điểm tiếp xúc với khí hậu khô và nóng điển hình. Nhiệt độ tối đa ở khu vực Turpan từ tháng 5 đến tháng 8 là trên 40 độ, nhiệt độ cực cao là 49,6 độ và lượng mưa trung bình hàng năm chỉ là 8 mm. Trường phơi nhiễm ở Qionghai, Hải Nam có điều kiện khí hậu nóng ẩm đặc trưng. Nhiệt độ trung bình hàng năm là 27,4 độ và lượng mưa trung bình hàng năm cao tới 2134 mm.
2. Lão hóa nhanh trong phòng thí nghiệm
Để tăng tốc chu trình thử nghiệm và thu được dữ liệu lão hóa nhanh hơn, phòng thí nghiệm thường sử dụng các nguồn ánh sáng nhân tạo để mô phỏng bức xạ mặt trời, phù hợp với các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và mưa khác nhau, v.v. và có thể mô phỏng các vùng khí hậu tự nhiên khác nhau.
1) Lựa chọn nguồn sáng
Các nguồn sáng nhân tạo thường được sử dụng bao gồm đèn hồ quang xenon, đèn halogen kim loại và đèn huỳnh quang tia cực tím. Đèn huỳnh quang UV có thể mô phỏng ánh sáng mặt trời rất tốt ở dải UV sóng trung và UV sóng ngắn. Đèn hồ quang xenon và đèn halogen kim loại có thể mô phỏng ánh sáng mặt trời rất tốt ở toàn bộ quang phổ. Do đó, các buồng thử nghiệm sử dụng đèn xenon và đèn halogen kim loại làm nguồn sáng có thể mô phỏng tốt bức xạ ánh sáng mặt trời, trong khi các buồng lão hóa sử dụng đèn cực tím huỳnh quang không nhằm mục đích bắt chước ánh sáng mặt trời mà chỉ mô phỏng hiệu ứng lão hóa của ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, trên thị trường còn có các hộp lão hóa sử dụng đèn hồ quang carbon làm nguồn sáng. Tuy nhiên, phổ hồ quang carbon không có mối tương quan tốt với phổ ánh sáng mặt trời và việc sử dụng thử nghiệm đèn hồ quang carbon là vì lý do lịch sử.
2) Sự liên quan của quá trình lão hóa nhanh
Mối tương quan đề cập đến mức độ nhất quán giữa kết quả lão hóa nhanh trong phòng thí nghiệm và kết quả lão hóa của vật liệu trong môi trường sử dụng thực tế. Chỉ khi thử nghiệm lão hóa tăng tốc là phù hợp thì nó mới phản ánh thực sự khả năng chống chịu thời tiết của vật liệu và thực sự dự đoán được tuổi thọ sử dụng của vật liệu. Việc kiểm tra tăng tốc không hợp lý sẽ làm giảm tính phù hợp của bài kiểm tra, thậm chí mất đi ý nghĩa của nó.
3) Xu hướng phát triển lão hóa nhanh trong phòng thí nghiệm
Như đã đề cập ở phần đầu, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lão hóa vật chất bao gồm bức xạ mặt trời, nhiệt độ, nước và các yếu tố khác. Sự lão hóa của vật liệu là kết quả của sự tác động chung của các yếu tố này, nhưng nó không phải là sự chồng chất đơn giản của tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Sức mạnh tổng hợp giữa chúng cũng cần được xem xét. Do đó, việc mô phỏng toàn diện hơn về môi trường sử dụng thực tế của vật liệu có thể mang lại kết quả phù hợp hơn. Ví dụ: theo tiêu chuẩn ISO 20340, bài kiểm tra dựa trên chu kỳ 7 ngày. Vào ngày thứ 1 đến ngày thứ 3, thử nghiệm tia cực tím với chu kỳ sáng và tối được thực hiện theo ISO 11507. Vào ngày thứ 4 đến ngày thứ 6, thử nghiệm phun muối được thực hiện theo ISO 9227. Vào ngày thứ 7 ({{9} } Kiểm tra nhiệt độ thấp ±2) độ. So với thử nghiệm khả năng chống chịu thời tiết truyền thống, nó tích hợp nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lão hóa hơn và phù hợp hơn với điều kiện sử dụng thực tế của vật liệu, do đó nó có thể phản ánh tốt hơn độ lão hóa thực tế của vật liệu. Chúng ta biết rằng nấm mốc, nồng độ ozone,… đều có tác động quan trọng đến quá trình lão hóa của sản phẩm nhựa. Làm thế nào để tích hợp nhiều yếu tố lão hóa hơn vào thử nghiệm sẽ là một trong những hướng phát triển của quá trình lão hóa nhanh trong phòng thí nghiệm.
05 Phương pháp chống lão hóa cho vật liệu polyme
Hiện nay, các phương pháp chính để cải thiện và nâng cao đặc tính chống lão hóa của vật liệu polymer bao gồm:
1. Bảo vệ vật lý (chẳng hạn như làm dày, sơn, kết hợp lớp bên ngoài, v.v.)
Quá trình lão hóa của vật liệu polyme, đặc biệt là lão hóa do quang oxy, trước tiên bắt đầu từ bề mặt của vật liệu hoặc sản phẩm, biểu hiện là sự đổi màu, tạo bột, nứt, mất độ bóng, v.v., sau đó dần dần thâm nhập sâu hơn vào bên trong. Sản phẩm mỏng có nhiều khả năng bị hỏng sớm hơn sản phẩm dày, vì vậy tuổi thọ của sản phẩm có thể được kéo dài bằng cách làm dày sản phẩm. Đối với những sản phẩm dễ bị lão hóa, bạn có thể phủ một lớp sơn chịu thời tiết tốt lên bề mặt hoặc ghép một lớp vật liệu có khả năng chịu thời tiết tốt lên lớp ngoài của sản phẩm để gắn một lớp bảo vệ lên bề mặt sản phẩm. sản phẩm. Làm chậm quá trình lão hóa.
2. Cải tiến công nghệ xử lý
Nhiều vật liệu cũng có vấn đề lão hóa trong quá trình tổng hợp hoặc chuẩn bị. Ví dụ, ảnh hưởng của nhiệt trong quá trình trùng hợp, lão hóa oxy nhiệt trong quá trình xử lý, v.v. Tương ứng, tác động của oxy có thể được giảm thiểu bằng cách bổ sung thiết bị loại bỏ oxy hoặc thiết bị chân không trong quá trình trùng hợp hoặc xử lý. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể đảm bảo hiệu suất của vật liệu khi nó rời khỏi nhà máy và phương pháp này chỉ có thể được thực hiện từ nguồn chuẩn bị nguyên liệu và không thể giải quyết vấn đề lão hóa trong quá trình tái xử lý và sử dụng.
3. Thiết kế kết cấu hoặc sửa đổi vật liệu polyme
Nhiều vật liệu polymer chứa các nhóm rất dễ bị lão hóa trong cấu trúc phân tử của chúng. Do đó, thông qua thiết kế cấu trúc phân tử của vật liệu, việc thay thế các nhóm dễ bị lão hóa bằng các nhóm không dễ bị lão hóa thường có thể đạt được kết quả tốt. Hoặc, các nhóm chức năng hoặc cấu trúc có tác dụng chống lão hóa có thể được đưa vào chuỗi polymer thông qua quá trình ghép hoặc đồng trùng hợp, mang lại cho vật liệu chức năng chống lão hóa tuyệt vời. Đây cũng là phương pháp thường được các nhà nghiên cứu sử dụng nhưng giá thành tương đối cao. Hiện tại, việc sản xuất và ứng dụng ở quy mô lớn, cao chưa thể đạt được.
4. Bổ sung chất phụ gia chống lão hóa
Hiện nay, một cách hiệu quả và phổ biến để cải thiện khả năng chống lão hóa của vật liệu polymer là bổ sung các chất phụ gia chống lão hóa, được sử dụng rộng rãi do chi phí thấp và không cần thay đổi quy trình sản xuất hiện có. Có hai cách chính để thêm các chất phụ gia chống lão hóa này:
Phương pháp bổ sung trực tiếp phụ gia: nghĩa là phụ gia chống lão hóa (bột hoặc lỏng) được trộn và khuấy trực tiếp với các nguyên liệu thô như nhựa, sau đó được ép đùn để tạo hạt hoặc ép phun, v.v. Bởi vì phương pháp bổ sung này đơn giản và dễ dàng để thực hiện, nó được sử dụng rộng rãi bởi phần lớn các nhà máy ép viên và ép phun.
Phương pháp bổ sung masterbatch chống lão hóa: Các nhà sản xuất có yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm và độ ổn định chất lượng thường sử dụng phương pháp bổ sung masterbatch chống lão hóa trong quá trình sản xuất. Masterbatch chống lão hóa thu được bằng cách sử dụng loại nhựa thích hợp làm chất mang, trộn với nhiều loại phụ gia chống lão hóa hiệu quả, sau đó được ép đùn và tạo hạt bằng máy đùn trục vít đôi. Ưu điểm ứng dụng của nó nằm ở việc sử dụng các chất phụ gia chống lão hóa trong quá trình chuẩn bị masterbatch. Đầu tiên, đạt được sự phân tán trước, sau đó trong quá trình xử lý vật liệu sau này, các chất phụ gia chống lão hóa được phân tán thứ cấp, đạt được mục đích phân tán đồng đều các chất phụ gia trong ma trận vật liệu polymer, không chỉ đảm bảo độ ổn định chất lượng của sản phẩm mà còn tránh được ô nhiễm bụi trong quá trình sản xuất, giúp sản xuất xanh hơn và thân thiện với môi trường hơn.