Jenis penuaan, uji penuaan dan metode anti penuaan bahan polimer
01 Status perkembangan bahan polimer saat ini
Bahan polimer, karena sifatnya yang sangat baik seperti ringan, kekuatan tinggi, tahan suhu, dan tahan korosi, kini banyak digunakan di banyak bidang seperti manufaktur kelas atas, informasi elektronik, transportasi, konservasi energi bangunan, ruang angkasa, dan nasional. industri pertahanan dan militer. memainkan peran yang sangat besar.
Ini tidak hanya merupakan industri dasar yang penting bagi perekonomian nasional, tetapi juga merupakan industri unggulan negara;
Ini bukan hanya industri baru yang strategis dalam industri petrokimia, tetapi juga merupakan bahan pendukung penting bagi industri baru yang strategis seperti informasi elektronik, dirgantara, pertahanan negara, dan energi baru;
Tidak hanya memiliki kandungan teknologi tinggi dan nilai tambah yang tinggi, tetapi juga merupakan arah penting bagi transformasi dan peningkatan industri petrokimia.
Oleh karena itu, bahan polimer selalu menjadi bidang pengembangan yang sangat penting bagi negara-negara maju dan perusahaan multinasional. Hal ini tidak hanya memberikan ruang pasar yang luas bagi industri bahan polimer baru, namun juga mengajukan persyaratan yang lebih tinggi untuk kinerja kualitas, tingkat keandalan, dan kemampuan dukungannya.
Oleh karena itu, cara memaksimalkan fungsi produk bahan polimer berdasarkan prinsip konservasi energi, rendah karbon, dan pembangunan ekologi semakin menarik perhatian. Penuaan merupakan faktor penting yang mempengaruhi keandalan dan daya tahan bahan polimer.
02 Jenis bahan polimer yang menua
Selama pemrosesan, penyimpanan, dan penggunaan bahan polimer, karena pengaruh gabungan faktor internal dan eksternal, sifat-sifatnya secara bertahap memburuk dan akhirnya kehilangan nilai guna. Fenomena ini disebabkan oleh penuaan bahan polimer.
Hal ini tidak hanya menyebabkan pemborosan sumber daya, tetapi bahkan dapat menyebabkan kecelakaan yang lebih besar karena kegagalan fungsi, dan penguraian material akibat penuaan juga dapat mencemari lingkungan.
Karena jenis polimer yang berbeda dan kondisi penggunaan yang berbeda, polimer tersebut memiliki fenomena dan karakteristik penuaan yang berbeda. Secara umum penuaan bahan polimer dapat diklasifikasikan menjadi empat jenis perubahan berikut:
1. Perubahan penampilan
Timbulnya noda, bintik, coretan, retak, mekar, kapur, lengket, bengkok, mata ikan, kerutan, susut, gosong, distorsi optik, dan perubahan warna optik.
2. Perubahan sifat fisik
Termasuk perubahan kelarutan, pembengkakan, sifat reologi, tahan dingin, tahan panas, permeabilitas air, permeabilitas udara dan sifat lainnya.
3. Perubahan sifat mekanik
Perubahan kekuatan tarik, kekuatan lentur, kekuatan geser, kekuatan impak, pemanjangan relatif, relaksasi tegangan dan sifat lainnya.
4. Perubahan sifat kelistrikan
Seperti perubahan tahanan permukaan, tahanan volume, konstanta dielektrik, kekuatan tembus listrik, dll.
03 Faktor penyebab penuaan bahan polimer
1. Analisis makro
Karena selama pemrosesan dan penggunaan polimer, polimer akan terkena pengaruh gabungan faktor lingkungan seperti panas, oksigen, air, cahaya, mikroorganisme, dan media kimia. Komposisi dan struktur kimianya akan mengalami serangkaian perubahan, dan sifat fisiknya juga akan berubah. Kemunduran, seperti kekerasan, lengket, kerapuhan, perubahan warna, kehilangan kekuatan, dll. Perubahan dan fenomena ini disebut penuaan.
2. Analisis mikroskopis
Polimer dengan molekul tinggi akan membentuk molekul keadaan tereksitasi di bawah pengaruh panas atau cahaya. Ketika energinya cukup tinggi, rantai molekul akan putus membentuk radikal bebas. Radikal bebas dapat membentuk reaksi berantai di dalam polimer, terus menyebabkan degradasi, dan dapat menyebabkan ikatan silang.
Jika oksigen atau ozon terdapat di lingkungan, serangkaian reaksi oksidasi akan diinduksi untuk membentuk hidroperoksida (ROOH), yang selanjutnya akan terurai menjadi gugus karbonil.
Jika terdapat ion logam sisa katalis dalam polimer, atau ion logam seperti tembaga, besi, mangan, kobalt, dll. dimasukkan selama pemrosesan dan penggunaan, reaksi degradasi oksidatif polimer akan dipercepat.
04 Tes penuaan
Dalam pengembangan atau peningkatan material baru, untuk memverifikasi masa pakai atau efek anti-penuaannya, diperlukan pengujian penuaan. Tes penuaan yang umum mencakup penuaan alami dan penuaan yang dipercepat di laboratorium.
1. Penuaan alami
Penuaan alami adalah memaparkan sampel material langsung ke lingkungan alam. Biasanya sampel dipasang pada rak eksposur pada sudut tertentu. Sudut eksposur yang umum adalah 5 derajat, 45 derajat, dan 90 derajat. Standar pengujian yang relevan mencakup Plastik ISO 877 - Metode paparan radiasi matahari; ISO2810 Cat dan pernis - Pelapukan alami pada lapisan - Pemaparan dan penilaian; Praktik Standar ASTMG7 untuk Pengujian Paparan Lingkungan Atmosfer pada Bahan Bukan Logam, dll.
Metode pengujian penuaan alami sederhana dan berbiaya rendah, namun siklus pengujiannya terlalu lama, sehingga mempengaruhi kemajuan optimasi desain produk. Selain itu, karena ini adalah lingkungan alami dan kondisi iklim tidak dapat dikendalikan, untuk memastikan reproduktifitas hasil pengujian, pemilihan lokasi pengujian menjadi sangat penting. Amerika Serikat mendirikan bidang iklim alami di Florida Selatan pada tahun 1931, yang merupakan standar bidang paparan iklim panas dan lembab di Amerika Serikat. Lokasi pengujian yang didirikan di Arizona tengah adalah lokasi paparan panas kering standar. Lokasi Uji Paparan Turpan dari Pusat Pengawasan dan Inspeksi Mutu Produk Kendaraan Bermotor Nasional di negara saya juga merupakan lokasi paparan iklim kering dan panas. Suhu maksimum di wilayah Turpan pada bulan Mei hingga Agustus di atas 40 derajat, suhu maksimum ekstrem 49,6 derajat, dan curah hujan tahunan rata-rata hanya 8 mm. Bidang paparan di Qionghai, Hainan memiliki kondisi iklim panas dan lembab yang khas. Suhu rata-rata tahunan adalah 27,4 derajat, dan curah hujan tahunan rata-rata mencapai 2134 mm.
2. Mempercepat penuaan di laboratorium
Untuk mempercepat siklus pengujian dan memperoleh data penuaan lebih cepat, laboratorium biasanya menggunakan sumber cahaya buatan untuk mensimulasikan radiasi matahari, mencocokkan suhu, kelembapan dan kondisi hujan yang berbeda, dll., serta dapat mensimulasikan berbagai iklim alam.
1) Pemilihan sumber cahaya
Sumber cahaya buatan yang umum digunakan meliputi lampu busur xenon, lampu halida logam, dan lampu fluoresen ultraviolet. Lampu neon UV dapat mensimulasikan sinar matahari dengan sangat baik dalam rentang UV gelombang menengah dan UV gelombang pendek. Lampu busur xenon dan lampu halida logam dapat mensimulasikan sinar matahari dengan sangat baik dalam spektrum penuh. Oleh karena itu, ruang uji yang menggunakan lampu xenon dan lampu halida logam sebagai sumber cahaya dapat mensimulasikan radiasi sinar matahari dengan baik, sedangkan ruang uji yang menggunakan lampu ultraviolet fluoresen tidak dimaksudkan untuk meniru sinar matahari, tetapi hanya mensimulasikan efek penuaan sinar matahari. Selain itu, di pasaran terdapat kotak-kotak tua yang menggunakan lampu busur karbon sebagai sumber cahayanya. Namun, spektrum busur karbon tidak memiliki korelasi yang baik dengan spektrum sinar matahari, dan penggunaan pengujian lampu busur karbon adalah karena alasan historis.
2) Relevansi percepatan penuaan
Korelasi mengacu pada derajat konsistensi antara hasil penuaan yang dipercepat di laboratorium dan hasil penuaan material di lingkungan penggunaan sebenarnya. Hanya jika uji penuaan yang dipercepat relevan, uji tersebut dapat benar-benar mencerminkan ketahanan material terhadap cuaca dan benar-benar memprediksi masa pakai material. Pengujian dipercepat yang tidak wajar akan mengurangi relevansi pengujian dan bahkan kehilangan maknanya.
3) Tren perkembangan percepatan penuaan di laboratorium
Seperti disebutkan di awal, faktor yang mempengaruhi penuaan material antara lain radiasi matahari, suhu, air dan faktor lainnya. Penuaan bahan merupakan hasil dari aksi bersama dari faktor-faktor ini, namun bukan merupakan superposisi sederhana dari efek dari berbagai faktor. Sinergi antar keduanya juga perlu diperhatikan. Oleh karena itu, simulasi yang lebih komprehensif tentang lingkungan penggunaan material yang sebenarnya dapat memberikan hasil relevan yang lebih baik. Misalnya, menurut standar ISO 20340, pengujian didasarkan pada siklus 7 hari. Pada hari ke-1 hingga ke-3 dilakukan uji UV dengan siklus terang dan gelap sesuai ISO 11507. Pada hari ke-4 hingga ke-6 dilakukan uji semprotan garam sesuai ISO 9227. Pada hari ke-7 ({{9} } Uji suhu rendah ±2) derajat. Dibandingkan dengan uji ketahanan cuaca tradisional, uji ini mengintegrasikan lebih banyak faktor yang mempengaruhi penuaan dan lebih sesuai dengan kondisi penggunaan material yang sebenarnya, sehingga dapat lebih mencerminkan penuaan material yang sebenarnya. Kita tahu bahwa jamur, konsentrasi ozon, dll. semuanya mempunyai dampak penting terhadap penuaan produk plastik. Bagaimana mengintegrasikan lebih banyak faktor penuaan dalam pengujian akan menjadi salah satu arah pengembangan percepatan penuaan di laboratorium.
05 Metode anti penuaan bahan polimer
Saat ini, metode utama untuk memperbaiki dan meningkatkan sifat anti-penuaan bahan polimer adalah sebagai berikut:
1. Perlindungan fisik (seperti penebalan, pengecatan, peracikan lapisan luar, dll.)
Penuaan bahan polimer, terutama penuaan fotooksigen, pertama-tama dimulai dari permukaan bahan atau produk, yang bermanifestasi sebagai perubahan warna, bubuk, retak, hilangnya kilap, dll., dan kemudian secara bertahap menembus lebih dalam ke bagian dalam. Produk yang tipis lebih mungkin rusak sebelum waktunya dibandingkan produk yang tebal, sehingga masa pakai produk dapat diperpanjang dengan mengentalkan produk. Untuk produk yang rentan terhadap penuaan, Anda dapat mengaplikasikan lapisan pelapis dengan ketahanan cuaca yang baik pada permukaannya, atau melapisi lapisan bahan dengan ketahanan cuaca yang baik pada lapisan luar produk untuk menempelkan lapisan pelindung pada permukaan produk. produk. Memperlambat proses penuaan.
2. Meningkatkan teknologi pemrosesan
Banyak bahan juga mengalami masalah penuaan selama proses sintesis atau persiapan. Misalnya pengaruh panas selama polimerisasi, penuaan oksigen termal selama pemrosesan, dll. Sejalan dengan itu, dampak oksigen dapat dikurangi dengan menambahkan alat penghilang oksigen atau alat vakum selama polimerisasi atau pemrosesan. Namun cara ini hanya dapat menjamin kinerja bahan ketika keluar dari pabrik, dan cara ini hanya dapat diterapkan dari sumber penyiapan bahan, serta tidak dapat mengatasi masalah penuaan pada saat pengolahan ulang dan penggunaannya.
3. Desain struktur atau modifikasi bahan polimer
Banyak bahan polimer mengandung gugus yang sangat rentan terhadap penuaan pada struktur molekulnya. Oleh karena itu, melalui desain struktur molekul suatu bahan, mengganti kelompok yang rentan terhadap penuaan dengan kelompok yang tidak rentan terhadap penuaan seringkali dapat mencapai hasil yang baik. Atau, gugus fungsi atau struktur dengan efek anti-penuaan dapat dimasukkan ke dalam rantai polimer melalui pencangkokan atau kopolimerisasi, sehingga memberikan fungsi anti-penuaan yang sangat baik pada bahan itu sendiri. Ini juga merupakan metode yang sering digunakan oleh para peneliti, namun biayanya relatif tinggi. Produksi dan penerapan berskala besar dan tinggi tidak dapat dicapai untuk saat ini.
4. Tambahkan aditif anti penuaan
Saat ini, cara yang efektif dan umum untuk meningkatkan ketahanan penuaan bahan polimer adalah dengan menambahkan aditif anti penuaan, yang banyak digunakan karena biayanya yang rendah dan tidak adanya perubahan pada proses produksi yang ada. Ada dua cara utama untuk menambahkan aditif anti penuaan ini:
Metode penambahan aditif langsung: yaitu aditif anti penuaan (bubuk atau cairan) langsung dicampur dan diaduk dengan bahan mentah seperti resin, kemudian diekstrusi untuk granulasi atau cetakan injeksi, dll. Karena metode penambahan ini sederhana dan mudah untuk penerapannya, ini banyak digunakan oleh sebagian besar pabrik pelet dan cetakan injeksi.
Metode penambahan masterbatch anti penuaan: Produsen dengan persyaratan kualitas produk dan stabilitas kualitas yang lebih tinggi lebih sering menggunakan metode penambahan masterbatch anti penuaan selama produksi. Masterbatch anti-penuaan diperoleh dengan menggunakan resin yang sesuai sebagai pembawa, dicampur dengan berbagai aditif anti-penuaan yang efisien, dan kemudian diekstrusi bersama dan digranulasi dengan ekstruder sekrup ganda. Keunggulan penerapannya terletak pada penggunaan aditif anti penuaan dalam proses persiapan masterbatch. Pertama, pra-dispersi tercapai, dan kemudian dalam proses pemrosesan bahan selanjutnya, aditif anti-penuaan didispersikan secara sekunder, sehingga mencapai tujuan dispersi seragam aditif dalam matriks bahan polimer, yang tidak hanya menjamin stabilitas kualitas bahan. produk, tetapi juga menghindari polusi debu selama produksi, menjadikan produksi lebih ramah lingkungan dan ramah lingkungan.