第七章 老化性能测试
第一节 概述
一、塑料老化的特征
塑料在加工、储存和使用过程中受环境长期影响,在热、光、
高能辐射、机械应力、超声波、化学药品及微生物等作用下,
引起化学结构的破坏,致使其物理、化学性质和机械性能变
坏的现象称为“老化”。
塑料老化归纳起来有以下四种变化情况:
(1)外观变化
(2)物理性质变化
(3)力学性能变化
(4)电性能变化
二、塑料老化的机理
老化主要有化学老化和物理老化。
化学老化是聚合物分子结构变化的结果,所谓的化学老化
是一种不可逆的化学反应,是高分子材料分子结构变化
的结果,如塑料的脆化、橡皮的龟裂。
物理老化是玻璃态高分子材料通过小区域链段的布朗运
动使其凝聚态结构从非平衡态向平衡态过渡,从而使得
材料的物理、力学性能发生变化的现象。
1.热降解
含有活泼侧基的高聚物在热的作用下,易发生侧基脱离主
链的反应,并引起主链结构变化,这类反应称为侧基脱除
反应。
聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯等高聚物的热降解反
应,都易发生侧基脱除反应,使大分子链出现不饱和键。
高聚物在热的作用下大分子主链也可断裂,发生热降解反
应。
如甲基丙烯酸甲酯在270℃氮气中热裂解,工业上采用此
方法回收废旧有机玻璃单体。
2.氧化降解
当高聚物在生产、储存、使用过程中,会与空气中的氧发生
反应,发生高聚物的氧化降解,这是高聚物发生老化的主要
原因。
氧化降解过程使塑料的分子量降低,并产生醛、酮、酸等氧
化产物,对氧化作用较稳定的高聚物有聚苯乙烯、聚甲基丙聚苯乙烯、聚甲基丙
烯酸甲酯烯酸甲酯等,对氧化作用不稳定的高聚物有聚乙烯醇、天然聚乙烯醇、天然
橡胶橡胶等。
3.光降解
紫外光老化是最常见的致老化因素之一;
大分子链结构中含有羟基或双键时最容易引起光降解反应;
饱和烃类高聚物由于在热加工和长期存放、使用过程中容易
形成羟基、过氧化氢或双键,因而其光稳定性较差。
如涤纶(PET)光降解产物为CO、H2、CH4。
波长小于330nm时,PP比LDPE敏感;
波长大于330nm时,LDPE比PP敏感。
三、影响塑料老化的主要原因
引起塑料老化的原因主要有二大类:
一是外在因素:
主要有包括热、光、高能辐射、机械应力等物理因素,氧、
臭氧、水、酸、碱等化学因素,及生物因素。
二是内在因素:
1.内在因素有:
(1)聚合物的化学结构
(2)物理形态及立体规整性
(3)分子量及其分布
2.外部因素
(1)辐射
(2)氧
(3)臭氧
(4)热
(5)水分
(6)机械应力
(7)其它
四、老化性能测试基本原理和评价方法
1.自然曝露试验方法
自然大气老化测试是研究塑料受自然气候条件作用的老化试
验方法,它是将试样暴露于户外气候环境中受各种气候因素
综合作用的老化实验方法,通过测试暴露前后性能的变化以
评定材料的耐老化性能。
自然贮存老化是在贮存室或仓库内,经自然气候、介质或模
拟实际条件作用下进行的老化实验方法,通过测试暴露前后
性能的变化以评定材料的耐老化性能。
海水暴露试验就是把试样暴露于不同的海洋环境区带中,通
过测试暴露前后性能的变化以评定材料的耐老化性能。
便携式室外曝露架
与传统的室外曝露架相比,该装置通过镜
子使得试样受到更为集中的阳光照射
2.人工老化测试方法
热老化测试是评定材料对高温的适应性的一种简便的人工模
拟试验方法,是将材料放在高于相对使用温度的较高温度中,
使其受热作用,通过测试暴露前后性能的变化以评定材料的
耐热性能。
在湿热条件下的暴露老化试验是将材料放在规定的潮湿的热
空气环境中,受湿热作用,通过暴露前后的性能或外观变化,
来评价材料的耐湿热性能。
高压氧和高压空气热老化测试是将材料在高温和高压环境中
进行加速老化的试验方法,通过暴露前后的性能或外观变化,
来评价材料的耐候性能。
人工天候老化测试是将材料暴露于规定的环境条件下,模拟
自然界的光、热、氧、湿度、雨水等条件,通过测试试样表
面的辐照度或辐射量与试样的性能的变化,以评定材料的耐
候性。
热老化箱
臭氧老化试验箱
3.熔体流动速率法
原理:在一定的温度和负荷下,测定材料在熔体流动速率仪
中进行老化后经不同停留时间的熔体流动速率变化,并进行
定量的评价。老化停留时间越长,熔体流动速率越小。
自然老化试验周期长,试验结果适用于特定的曝露实验场;
人工老化具有试验周期短,与场地、季节和地区气候无关,
以及测定的数据有很好的重复性等优点。
第二节 自然老化试验
一、大气老化实验
自然大气老化(暴露)试验是研究塑料及橡胶受自然气候作
用的老化试验方法。
它是将试样暴露于户外气候环境中受各种气候因素综合作用
的老化试验,目的是评价试样经过规定的暴露阶段后所产生
的变化。
大气老化试验比较近似于材料的实际使用环境情况,对材料
的耐候性评价是较为可靠的。
另外,人工气候试验的结果也要通过大气老化试验加以对比
验证。因而塑料、橡胶自然气候暴露试验方法是一个基础的
老化试验方法。
我国标准GB/T3681-2000
为塑料自然气候暴露试
验方法;
GB/T3511-2001为硫化橡
胶或热塑性橡胶直接自
然气候老化试验方法。
(一)定义
(1)塑料自然大气老化测试:是将塑料材料安装在固定角度
或随季节变化角度的试验架上,在自然环境中长期暴露,这
种暴露通常用来评定环境因素对材料各种性能的作用。
(2)直接太阳光辐射:从以太阳为中心的一个小的立体角
投射到与该立体角的轴线相垂直的平面上的太阳光通量,通
常规定直接辐射的平面角约为6º。
(3)直射日射表:用于测量投射到与日光垂直平面上的
(光束)太阳光辐射的辐射计。
(二)测试原理与要点
1.试验装置
Q-Lab佛罗里达--世界上最大的户外老化测试中心
佛罗里达是 国际公认的基准户外曝晒测试场。佛罗里达州的亚热带
老化曝晒不仅是真实的,也是加速的。佛罗里达州一年的阳光可产
生在其他地方进行好几年的老化。
佛罗里达测试场阳光辐照强度大, 每年的紫外线强、全年高温、雨
量充沛且湿度高。正是这种紫外线、湿度和高温的协同效应使迈阿
密成为户外环境中测试材料耐久性的理想之地。