1. Lựa chọn điều kiện thử nghiệm lão hóa tăng tốc nhân tạo
Câu hỏi này thực sự có thể được hiểu là những yếu tố lão hóa nào cần được mô phỏng. Trong quá trình sử dụng vật liệu polymer, nhiều yếu tố trong môi trường khí hậu có thể ảnh hưởng đến sự lão hóa của vật liệu polymer. Nếu biết trước các yếu tố chính gây ra lão hóa thì có thể chọn phương pháp thử theo mục tiêu.
Chúng ta có thể xác định phương pháp thử bằng cách xem xét vận chuyển, bảo quản, môi trường sử dụng và cơ chế lão hóa của vật liệu. Ví dụ, cấu hình polyvinyl clorua cứng được làm từ polyvinyl clorua làm nguyên liệu thô và được thêm vào các chất phụ gia như chất ổn định và chất màu. Chúng chủ yếu được sử dụng ngoài trời. Xét về cơ chế lão hóa của PVC, PVC dễ bị phân hủy khi đun nóng; Xét đến môi trường sử dụng, oxy, tia cực tím, nhiệt độ và độ ẩm trong không khí đều là nguyên nhân gây lão hóa profile.
Do đó, tiêu chuẩn quốc gia GB/T8814-2004 "Cấu hình polyvinyl clorua không dẻo (PVC-U) cho cửa ra vào và cửa sổ" không chỉ quy định phương pháp thử nghiệm lão hóa photooxygen mà còn áp dụng GB/T16422.2 "Nguồn sáng phòng thí nghiệm nhựa Kiểm tra phơi sáng" Phần 2 của phương pháp: Lão hóa đèn hồ quang xenon trong 4000h hoặc 6000h, mô phỏng các yếu tố như ánh sáng cực tím ngoài trời và ánh sáng nhìn thấy, nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, v.v., đồng thời cũng quy định các hạng mục lão hóa oxy nhiệt: trạng thái sau khi nung nóng , đặt ở 150 độ trong 30 phút, quan sát bằng mắt. Kiểm tra xem có bong bóng, vết nứt, rỗ hoặc tách lớp để kiểm tra khả năng chịu nhiệt của cấu hình hay không. Một ví dụ khác là một sản phẩm mà nước ta có sức cạnh tranh trên thị trường quốc tế: giày dép xuất khẩu ngoại thương. Trong quá trình sử dụng, tia cực tím trong ánh nắng mặt trời là nguyên nhân chính khiến giày bị bạc màu, phai màu. Vì vậy, cần phải sử dụng hộp đèn UV để kiểm tra khả năng chống ố vàng của chúng.
Buồng thử nghiệm khả năng chống ố vàng giày dép thường được sử dụng sử dụng đèn UV 30W. Mẫu cách nguồn sáng 20 cm. Sự thay đổi màu sắc được quan sát thấy sau 3 giờ tiếp xúc. Đồng thời, trong quá trình vận chuyển, môi trường nóng ẩm, khắc nghiệt trong container sẽ khiến cho mũ giày, đế giày và keo bị hư hỏng. Do đó, trước khi vận chuyển, cần cân nhắc việc tiến hành thử nghiệm lão hóa khả năng chịu nhiệt và độ ẩm để mô phỏng môi trường nhiệt độ cao và độ ẩm cao trong container. Trong điều kiện độ ẩm tương đối 70 độ và 95%, hãy quan sát sự thay đổi bề ngoài và màu sắc sau 48 giờ thử nghiệm.
2. Lựa chọn nguồn sáng cho thử nghiệm lão hóa tăng tốc nhân tạo
Thử nghiệm tiếp xúc với nguồn sáng trong phòng thí nghiệm: Nó có thể mô phỏng đồng thời ánh sáng, oxy, nhiệt, lượng mưa và các yếu tố khác trong môi trường khí quyển nhìn thấy được trong buồng thử nghiệm. Đây là phương pháp thử nghiệm lão hóa tăng tốc nhân tạo thường được sử dụng. Trong số các yếu tố mô phỏng này, nguồn sáng tương đối quan trọng. Kinh nghiệm cho thấy các bước sóng trong ánh sáng mặt trời gây hư hỏng vật liệu polymer chủ yếu tập trung ở tia cực tím và một số ánh sáng khả kiến.
Các nguồn ánh sáng nhân tạo hiện đang được sử dụng cố gắng tạo ra đường cong phân bố phổ năng lượng trong phạm vi bước sóng này gần với quang phổ mặt trời. Tốc độ mô phỏng và tăng tốc là cơ sở chính để lựa chọn nguồn sáng nhân tạo. Sau khoảng một thế kỷ phát triển, các nguồn sáng trong phòng thí nghiệm bao gồm đèn hồ quang carbon kín, đèn hồ quang carbon loại ánh sáng mặt trời, đèn cực tím huỳnh quang, đèn hồ quang xenon, đèn thủy ngân cao áp và các nguồn sáng khác để lựa chọn. Các ủy ban kỹ thuật liên quan đến vật liệu polymer trong Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) chủ yếu khuyến nghị sử dụng ba nguồn sáng: đèn hồ quang carbon mặt trời, đèn cực tím huỳnh quang và đèn hồ quang xenon.
01. Đèn hồ quang xenon
Hiện tại người ta tin rằng sự phân bố năng lượng quang phổ của đèn hồ quang xenon trong số các nguồn sáng nhân tạo đã biết gần giống nhất với các phần tử ngoại và khả kiến của ánh sáng mặt trời. Bằng cách chọn một bộ lọc thích hợp, hầu hết bức xạ sóng ngắn có trong ánh sáng mặt trời chiếu tới mặt đất đều có thể được lọc ra. Đèn xenon có bức xạ mạnh ở vùng hồng ngoại 1000nm ~ 1200nm và tạo ra một lượng nhiệt lớn.
Vì vậy, phải lựa chọn một thiết bị làm mát phù hợp để lấy đi nguồn năng lượng này. Hiện nay, trên thị trường có hai phương pháp làm mát thiết bị kiểm tra lão hóa đèn xenon là làm mát bằng nước và làm mát bằng không khí. Nhìn chung, hiệu quả làm mát của thiết bị đèn xenon làm mát bằng nước tốt hơn so với thiết bị làm mát bằng không khí. Đồng thời, cấu trúc phức tạp hơn và giá thành đắt hơn. Vì năng lượng của phần tử ngoại của đèn xenon tăng ít hơn hai nguồn sáng còn lại nên tốc độ tăng tốc của nó là thấp nhất.
02. Đèn UV huỳnh quang
Về mặt lý thuyết, năng lượng sóng ngắn 300nm~400nm là nguyên nhân chính gây ra lão hóa. Nếu năng lượng này tăng lên, có thể đạt được kết quả xét nghiệm nhanh. Sự phân bố quang phổ của đèn UV huỳnh quang chủ yếu tập trung ở phần tử ngoại nên có thể đạt được tốc độ tăng tốc cao hơn.
Tuy nhiên, đèn UV huỳnh quang không chỉ làm tăng năng lượng tia cực tím trong ánh sáng mặt trời tự nhiên mà còn tỏa ra năng lượng không có trong ánh sáng mặt trời tự nhiên khi đo trên bề mặt trái đất và năng lượng này có thể gây ra thiệt hại phi tự nhiên. Ngoài ra, ngoại trừ vạch quang phổ thủy ngân rất hẹp, nguồn sáng huỳnh quang không có năng lượng cao hơn 375nm nên các vật liệu nhạy cảm với năng lượng tia cực tím có bước sóng dài hơn có thể không thay đổi như khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời tự nhiên. Những sai sót cố hữu này có thể dẫn đến kết quả không đáng tin cậy.
Vì vậy, đèn UV huỳnh quang có khả năng mô phỏng kém. Tuy nhiên, do tốc độ tăng tốc cao nên có thể sàng lọc nhanh các vật liệu cụ thể bằng cách chọn loại đèn thích hợp.
03. Đèn hồ quang carbon Sunlight
Đèn hồ quang carbon loại ánh sáng mặt trời hiện nay ít được sử dụng ở nước ta nhưng lại là nguồn sáng được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản. Hầu hết các tiêu chuẩn JIS đều sử dụng đèn hồ quang carbon loại ánh sáng mặt trời. Nhiều hãng ô tô ở nước tôi liên doanh với Nhật Bản vẫn khuyến khích sử dụng nguồn sáng này. Sự phân bố năng lượng quang phổ của đèn hồ quang carbon mặt trời cũng gần với ánh sáng mặt trời hơn, nhưng các tia cực tím từ 370nm đến 390nm được tập trung và tăng cường. Mô phỏng không tốt bằng đèn xenon và tốc độ tăng tốc giữa đèn xenon và đèn cực tím.
3. Xác định thời gian thử lão hóa tăng tốc nhân tạo
1. Tham khảo các tiêu chuẩn và quy định sản phẩm có liên quan
Các tiêu chuẩn sản phẩm liên quan đã quy định thời gian kiểm tra lão hóa. Chúng ta chỉ cần tìm các tiêu chuẩn liên quan và thực hiện chúng theo thời gian quy định trong đó. Nhiều tiêu chuẩn quốc gia và tiêu chuẩn ngành đã quy định điều này.
2. Tính toán dựa trên các mối tương quan đã biết
Nghiên cứu cho thấy độ ổn định màu của ABS được đánh giá thông qua sự thay đổi về màu sắc và chỉ số ố vàng. Quá trình lão hóa tăng tốc nhân tạo có mối tương quan tốt với sự tiếp xúc với khí quyển tự nhiên và tốc độ tăng tốc là khoảng 7. Nếu bạn muốn biết sự thay đổi màu sắc của một vật liệu ABS nhất định sau một năm sử dụng ngoài trời và sử dụng cùng điều kiện thử nghiệm, bạn có thể tham khảo tốc độ tăng tốc để xác định thời gian lão hóa tăng tốc 365x24/7=1251h.
Từ lâu, đã có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề tương quan trong và ngoài nước và rút ra nhiều mối quan hệ chuyển đổi. Tuy nhiên, do sự đa dạng của vật liệu polyme, sự khác biệt về thiết bị và phương pháp thử nghiệm lão hóa tăng tốc cũng như sự khác biệt về khí hậu ở các thời điểm và khu vực khác nhau nên mối quan hệ chuyển đổi rất phức tạp. Do đó, khi lựa chọn mối quan hệ chuyển đổi, chúng ta phải chú ý đến các vật liệu cụ thể, thiết bị lão hóa, điều kiện thử nghiệm, chỉ số đánh giá hiệu suất và các yếu tố khác tạo ra mối tương quan.
3. Kiểm soát tổng lượng bức xạ lão hóa tăng tốc nhân tạo tương đương với tổng lượng bức xạ phơi nhiễm tự nhiên
Đối với một số sản phẩm không có tiêu chuẩn tương ứng và không có tham chiếu tương quan, có thể xem xét cường độ bức xạ của môi trường sử dụng thực tế và tổng lượng bức xạ lão hóa tăng tốc nhân tạo phải được kiểm soát tương đương với tổng lượng bức xạ phơi nhiễm tự nhiên. .
Ví dụ: Cách kiểm soát tổng lượng bức xạ của quá trình lão hóa tăng tốc nhân tạo
Một sản phẩm nhựa nhất định được sử dụng ở khu vực Bắc Kinh và dự kiến sẽ kiểm soát tổng lượng bức xạ của quá trình lão hóa tăng tốc nhân tạo tương đương với một năm phơi nhiễm ngoài trời.
Bước 1: Vì sản phẩm này là sản phẩm nhựa và được sử dụng ngoài trời nên hãy chọn Phương pháp A tính bằng GB/T16422.2-1996 "Phương pháp kiểm tra phơi nhiễm nguồn sáng trong phòng thí nghiệm nhựa Phần 2: Đèn hồ quang Xenon".
Các điều kiện thử nghiệm là: cường độ chiếu xạ 0,50W/m2 (340nm), nhiệt độ bảng đen 65 độ, nhiệt độ hộp 40 độ, độ ẩm tương đối 50%, thời gian phun nước/thời gian không phun nước 18 phút/102 phút, ánh sáng liên tục;
Bước 2: Tổng lượng bức xạ hàng năm ở Bắc Kinh vào khoảng 5609MJ/m2. Theo tiêu chuẩn quốc tế CIENo85-1989 (GB/T16422.1-1996 "Phương pháp kiểm tra phơi nhiễm nguồn sáng trong phòng thí nghiệm nhựa" để so sánh sự phân bố quang phổ của nguồn sáng nhân tạo và ánh sáng mặt trời tự nhiên) Phần: Được trích dẫn trong "Xenon Arc Đèn"); trong đó vùng tử ngoại và vùng khả kiến (300nm~800nm) chiếm 62,2%, tương đương 3489MJ/m2.
Bước 3: Theo GB/T16422.2-1996
Khi cường độ chiếu xạ 340nm là 0,50W/m2, cường độ chiếu xạ ở vùng hồng ngoại và vùng khả kiến (300nm~800nm) là 550W/m2; thời gian chiếu xạ có thể được tính là 3489X106/550=6.344X106s, tức là 1762h. Theo phương pháp tính toán này, hệ số gia tốc là khoảng 5. Vì lão hóa tự nhiên không phải là sự chồng chất đơn giản của cường độ chiếu xạ nên người ta chỉ xác định được rằng ánh sáng mặt trời là nguyên nhân gây ra vật liệu.
4. Lựa chọn các chỉ số đánh giá hiệu năng cho thử nghiệm lão hóa tăng tốc nhân tạo
Việc lựa chọn các chỉ số đánh giá hiệu suất chủ yếu được xem xét từ hai khía cạnh: việc sử dụng vật liệu và đặc tính của vật liệu.
1. Xác định chỉ số đánh giá theo công dụng của vật liệu. Cùng một loại vật liệu, do mục đích sử dụng khác nhau nên có thể lựa chọn các chỉ số đánh giá khác nhau. Ví dụ, nếu sử dụng cùng một loại sơn để trang trí thì phải xem xét sự thay đổi về hình thức bên ngoài của nó. Trong GB/T1766-1995 "Xếp hạng độ lão hóa của sơn và lớp phủ vecni", các phương pháp xếp hạng cho những thay đổi về hình thức khác nhau như độ bóng, thay đổi màu sắc, phấn hóa và lớp phủ vàng được chỉ định chi tiết.
Đối với một số lớp phủ chức năng, chẳng hạn như lớp phủ chống ăn mòn, mức độ thay đổi màu sắc và hình thức nhất định có thể chấp nhận được. Tại thời điểm này, khi lựa chọn các chỉ số đánh giá, điều cần cân nhắc chính là khả năng chống nứt, mức độ bột, v.v. Nó cũng là polyvinyl clorua (PVC). Nếu nó được sử dụng để làm mũ giày thì phải xem xét khả năng chống ố vàng của nó. Nếu nó được sử dụng trong ống thoát nước mưa, yêu cầu về sự thay đổi bề ngoài không cao và các tính chất cơ lý của vật liệu thay đổi, chẳng hạn như lực kéo. Sự thay đổi về độ bền kéo là chỉ số đánh giá chính.
2. Xác định chỉ số đánh giá dựa trên đặc tính của chính vật liệu. Đối với cùng một vật liệu, các đặc tính khác nhau suy giảm với tốc độ không đồng đều trong quá trình lão hóa. Nói cách khác, một số tài sản nhất định rất nhạy cảm với môi trường và suy giảm nhanh chóng, đây là yếu tố chính gây ra thiệt hại vật chất. Khi lựa chọn các chỉ số đánh giá, nên chọn những thuộc tính nhạy cảm này. Nghiên cứu cho thấy đối với hầu hết các loại nhựa kỹ thuật, độ bền va đập thay đổi đáng kể và giảm đáng kể trong quá trình thử nghiệm lão hóa tự nhiên.
Vì vậy, khi tiến hành thử nghiệm lão hóa của nhựa kỹ thuật, cần ưu tiên chọn mức giảm độ bền va đập làm chỉ số đánh giá. Độ bền va đập cũng rất nhạy cảm với sự lão hóa của polypropylen và là chỉ số chính để đánh giá hiệu suất lão hóa. Đối với vật liệu polyetylen, độ giãn dài khi đứt giảm rõ ràng hơn và là chỉ số đánh giá ưu tiên. Đối với polyvinyl clorua, cả độ bền kéo và độ bền va đập đều giảm tương đối nhanh và nên chọn một trong số chúng để đánh giá dựa trên tình hình thực tế.
Trong tiêu chuẩn quốc gia GB/T8814-2004 "Cấu hình polyvinyl clorua không dẻo (PVC-U) cho cửa ra vào và cửa sổ", tỷ lệ duy trì độ bền va đập sau khi lão hóa Lớn hơn hoặc bằng 60% được chọn làm chỉ báo tiêu chuẩn; trong tiêu chuẩn công nghiệp nhẹ QB/T2480 -2000 Ống và phụ kiện nước mưa bằng nhựa polyvinyl clorua cứng (PVC-U) dành cho xây dựng, tỷ lệ duy trì độ bền kéo sau khi lão hóa Lớn hơn hoặc bằng 80% theo tiêu chí đánh giá chất lượng.