一文搞懂高分子材料的老化類型、老化測(cè)試與抗老化方法

上海卷柔儀器設(shè)備有限公司是一家高科技合資企業(yè),專業(yè)生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機(jī)、冷熱沖擊機(jī)、振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)、機(jī)械沖擊機(jī)、跌落試驗(yàn)機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)儀器的公司，是一家具有研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的公司。經(jīng)驗(yàn)豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持?，F(xiàn)在我們成為許多品牌的供應(yīng)商。

高分子材料，因其具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、耐溫、耐腐蝕等優(yōu)異的性能，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于制造、電子信息、交通運(yùn)輸、建筑節(jié)能、航空航天、等諸多領(lǐng)域，發(fā)揮了巨大的作用。

其不僅是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是一個(gè)國家先導(dǎo)性的產(chǎn)業(yè)；

既屬石化行業(yè)內(nèi)的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，也是電子信息、航空航天、、新能源等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要配套材料；

不僅自身技術(shù)含量高、附加值高，而且是石化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向。

所以，高分子材料一直是發(fā)達(dá)國家和跨國公司十分重視的發(fā)展領(lǐng)域。這不僅為高分子新材料產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的市場(chǎng)空間，也對(duì)其質(zhì)量性能、可靠性水平、保障能力等提出了更高要求。

因此，如何本著節(jié)能、低碳和生態(tài)發(fā)展的原則，發(fā)揮高分子材料制品的功能，就越來越受到人們的關(guān)注。而老化正是影響高分子材料可靠性和耐久性的重要因素。

高分子材料的老化類型

高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由于受內(nèi)外因素的綜合作用，其性能逐漸變壞，以致最后喪失使用價(jià)值,這種現(xiàn)象就屬于高分子材料的老化。

這不僅造成資源浪費(fèi)，甚至?xí)蚱涔δ苁п劤筛蟮氖鹿?，而且其老化引起的材料分解也可能?huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

由于聚合物品種不同，使用條件各異，因而有不同的老化現(xiàn)象和特征。總的來說，高分子材料的老化可歸為以下四種類型的變化：

1.外觀的變化

出現(xiàn)污漬、斑點(diǎn)、銀紋、裂縫、噴霜、粉化、發(fā)粘、翹曲、魚眼、起皺、收縮、焦燒、光學(xué)畸變以及光學(xué)顏色的變化。

2.物理性能的變化

包括溶解性、溶脹性、流變性能以及耐寒、耐熱、透水、透氣等性能的變化。

3.力學(xué)性能的變化

拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、相對(duì)伸長率、應(yīng)力松馳等性能的變化。

4.電性能的變化

如表面電阻、體積電阻、介電常數(shù)、電擊穿強(qiáng)度等的變化。

造成高分子材料老化的因素

1.宏觀分析

因?yàn)楦叻肿泳酆衔镌诩庸?、使用過程中，會(huì)受到熱、氧、水、光、微生物、化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素的綜合作用, 其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化，物理性能也會(huì)相應(yīng)變壞，如發(fā)硬、發(fā)粘、變脆、變色、失去強(qiáng)度等, 這些變化和現(xiàn)象就稱為老化。

2.微觀分析

高分子聚合物在熱或光的作用下會(huì)形成激發(fā)態(tài)的分子，當(dāng)能量足夠高，分子鏈就會(huì)斷裂形成自由基，自由基可以在聚合物內(nèi)部形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，繼續(xù)引發(fā)降解，也可能引起交聯(lián)。

如果環(huán)境中存在氧氣或臭氧，還會(huì)誘發(fā)一系列氧化反應(yīng)，形成氫過氧化物（ROOH），并進(jìn)一步分解成為羰基。

如果聚合物中存在殘余的催化劑金屬離子，或在加工、使用中帶入金屬離子如銅、鐵、錳、鈷等，會(huì)加速聚合物的氧化降解反應(yīng)。

老化測(cè)試

在新材料開發(fā)或改進(jìn)中，為驗(yàn)證其使用壽命或防老化效果，就需要進(jìn)行老化測(cè)試。常見的老化測(cè)試有自然老化和試驗(yàn)室加速老化。

1.自然老化

自然老化就是將材料試樣直接暴曬在自然環(huán)境下。通常樣品以一定的角度安裝在暴曬架上，常見的暴曬角度有5 °、45 °、90 °。相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ISO 877 Plastics — Methods of exposure to solarradiation；ISO2810 Paints and varnishes - Natural weathering of coatings - Exposure andassessment；ASTMG7 Standard Practice for Atmospheric Environmental Exposure Testing ofNonmetallic Materials等。

自然老化試驗(yàn)方法簡便，成本較低，但是其試驗(yàn)周期太長，影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)度。而且，由于是天然環(huán)境，氣候條件無法控制，為保證試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性，試驗(yàn)場(chǎng)地的選擇尤為重要。美國1931年在南佛羅里達(dá)建立天然氣候場(chǎng)，是美國標(biāo)準(zhǔn)的濕熱氣候暴曬場(chǎng)。在亞利桑那中部建立的試驗(yàn)場(chǎng)，則是標(biāo)準(zhǔn)的干熱暴曬場(chǎng)。我國的國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心吐魯番暴曬試驗(yàn)場(chǎng)，也是典型的干熱氣候暴曬場(chǎng)。吐魯番地區(qū)5-8月最高氣溫均在40 ℃以上，高氣溫49.6 ℃，年平均降水量僅為8 mm。而海南瓊海的暴曬場(chǎng)，則是典型的濕熱氣候條件。年平均溫度27.4 ℃，年均降水量高達(dá)2134 mm。典型暴曬場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)見表2。

表2 典型暴曬場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)

2.試驗(yàn)室加速老化

為加快試驗(yàn)周期，更快的得到老化數(shù)據(jù)，試驗(yàn)室通常使用人造光源模擬日光輻射，匹配不同的溫濕度及淋雨條件等，可以模擬各種自然氣候。

1） 光源的選擇

常用的人造光源有氙弧燈、金屬鹵素?zé)艏白贤鉄晒鉄?。紫外熒光燈在中波紫外和短波紫外范圍?nèi)，能很好的模擬日光。而氙弧燈和金屬鹵素?zé)粼谌庾V均能很好的模擬日光。因此，使用氙燈和金屬鹵素?zé)糇鳛楣庠吹脑囼?yàn)箱，能很好的模擬日光輻射，而使用熒光紫外燈的老化箱，其目的并不在于仿制日光，而只是模擬日光的老化效果。除此之外，市場(chǎng)上還有以碳弧燈作為光源的老化箱。但碳弧光譜與日光光譜并沒有很好的相關(guān)性，使用碳弧燈測(cè)試是歷史原因。

2） 加速老化的相關(guān)性

相關(guān)性是指，試驗(yàn)室加速老化的結(jié)果與材料在實(shí)際使用環(huán)境中發(fā)生老化的結(jié)果的一致性程度。加速老化試驗(yàn)，只有具有相關(guān)性，才能真正反映材料的耐候性能，真實(shí)預(yù)測(cè)材料的使用壽命。不合理的加速試驗(yàn)，會(huì)降低測(cè)試的相關(guān)性，甚至失去意義。

表3 常見的降低相關(guān)性的錯(cuò)誤測(cè)試

3）試驗(yàn)室加速老化的發(fā)展趨勢(shì)

如開篇提到的，材料老化的影響因素有日光輻射、溫度、水和其他因素。材料的老化是這些因素共同作用的結(jié)果，但并不是簡單的各種因素影響效果的疊加，還需要考慮其間的協(xié)同作用。因此，更全面的模擬材料的實(shí)際使用環(huán)境，能夠得到具有更好相關(guān)性的結(jié)果。例如ISO 20340標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)以7天為1個(gè)周期，第1至3天根據(jù)ISO 11507進(jìn)行具有明暗周期的紫外測(cè)試，第4至6天根據(jù)ISO 9227進(jìn)行鹽霧測(cè)試，第7天進(jìn)行（-20±2）℃的低溫測(cè)試。與傳統(tǒng)的耐候性測(cè)試相比，綜合了更多的老化影響因素，更符合材料的實(shí)際使用工況，因此更能反映材料的實(shí)際老化情況。我們知道，霉菌、臭氧濃度等，都對(duì)塑料制品的老化有重要影響，如何在測(cè)試中綜合更多的老化因素，將是試驗(yàn)室加速老化的發(fā)展方向之一。

高分子材料抗老化的方法

目前，改善和提高高分子材料防老化性能的主要方法有以下幾種：

1.物理防護(hù)（如加厚、涂裝、外層復(fù)合等）

高分子材料的老化，特別是光氧老化，首先是從材料或制品的表面開始，表現(xiàn)為變色、粉化、龜裂、光澤度下降等，然后逐漸往內(nèi)部深入。薄制品比厚制品更容易提早失效，因此通過加厚制品的方法可以延長制品的使用壽命。對(duì)于易老化的制品，可以在其表面涂覆或涂布一層耐候性好的涂層，或在制品外層復(fù)合一層耐候性好的材料，從而使制品表面附上一層防護(hù)層，從而延緩老化進(jìn)程。

2.改進(jìn)加工工藝

很多材料在合成或制備過程中，也存在老化的問題。如，聚合過程中熱的影響、加工過程中的熱氧老化等等。那么相應(yīng)地，可以通過在聚合或加工過程中增加除氧裝置或抽真空裝置等減緩氧氣的影響。但這種方法只能保證材料在出廠時(shí)的性能，而且這種方法只能從材料的制備源頭實(shí)施，無法解決其在再加工和使用過程中的老化問題。

3.高分子材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或改性

很多高分子材料分子結(jié)構(gòu)中存在極易老化的基團(tuán)，那么通過材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以不易老化的基團(tuán)替代易老化的基團(tuán)，往往可以起到良好的效果?；蛘呤窃诟叻肿臃肿渔溕贤ㄟ^接枝或共聚的方法引入具有抗老化作用的功能基團(tuán)或結(jié)構(gòu)，賦予材料本身以優(yōu)異的抗老化功能，也是研究工作者們常采用的方法，但成本較高，暫且不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。

4.添加防老化助劑

目前，提高高分子材料耐老化性的有效途徑和常用方法就是添加抗老化助劑，其由于成本較低、且無需改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝而得到廣泛應(yīng)用。這些抗老化助劑的添加方式主要有兩種：

助劑直接添加法：即將抗老化助劑（粉末或液體）與樹脂等原料直接混合攪拌后擠出造?；蜃⑺艿鹊?。這種添加方式由于簡單易行，從而為廣大的抽粒和注塑廠所廣泛采用。

   隨著科技的飛速發(fā)展，高低溫老化箱在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。這款設(shè)備能夠在模擬溫度條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行老化測(cè)試，從而確保產(chǎn)品在各種環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。本文將帶您了解高低溫老化箱的特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及選型技巧，讓您對(duì)這個(gè)神奇的設(shè)備有更深入的認(rèn)識(shí)。

   一、高低溫老化箱的特點(diǎn)

   高度智能化：高低溫老化箱采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)和傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)采集。用戶只需輸入所需測(cè)試的溫度、濕度等參數(shù)，設(shè)備便會(huì)自動(dòng)運(yùn)行并記錄測(cè)試結(jié)果。

   溫度范圍廣：高低溫老化箱能夠模擬從-80℃到+300℃的溫度環(huán)境，滿足不同用戶的需求。

   濕度可控：部分高低溫老化箱還具備濕度控制功能，能夠在保持溫度穩(wěn)定的同時(shí)，對(duì)濕度進(jìn)行精確控制。

   安全可靠：高低溫老化箱采用優(yōu)質(zhì)材料制作，具有良好的保溫性能和穩(wěn)定的運(yùn)行表現(xiàn)。同時(shí)，設(shè)備還配備了多重安全保護(hù)功能，確保用戶在使用過程中的安全。

   二、高低溫老化箱的應(yīng)用領(lǐng)域

   電子行業(yè)：高低溫老化箱廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、家電等電子產(chǎn)品的老化測(cè)試，幫助企業(yè)確保產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。

   汽車行業(yè)：汽車零部件需要在各種溫度下進(jìn)行可靠性測(cè)試，高低溫老化箱能夠模擬各種溫度環(huán)境，對(duì)汽車零部件進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)。

   航空航天：航空航天領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的可靠性要求極為嚴(yán)格，高低溫老化箱能夠在模擬高空環(huán)境的條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行老化測(cè)試，確保產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性。

   科研行業(yè)：科研器械在各種溫度下可能會(huì)出現(xiàn)各種問題，高低溫老化箱能夠?qū)蒲衅餍颠M(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢測(cè)，確保產(chǎn)品的可靠性。

   三、高低溫老化箱的選型技巧

   明確需求：在選擇高低溫老化箱時(shí)，首先要明確自己的需求。用戶需要根據(jù)自己的產(chǎn)品特點(diǎn)和測(cè)試要求，確定所需設(shè)備的溫度范圍、濕度控制精度以及測(cè)試時(shí)間等方面的參數(shù)。

   考慮設(shè)備尺寸：高低溫老化箱的尺寸因應(yīng)用場(chǎng)景和測(cè)試需求而異。用戶需要根據(jù)自己的生產(chǎn)規(guī)模和測(cè)試需求，選擇合適大小的設(shè)備。

   關(guān)注設(shè)備品質(zhì)：在選擇高低溫老化箱時(shí)，品質(zhì)是關(guān)鍵。用戶應(yīng)選擇具有良好口碑和穩(wěn)定性能的設(shè)備，同時(shí)要關(guān)注設(shè)備的材料質(zhì)量、保溫性能以及控制系統(tǒng)等方面的表現(xiàn)。

   考慮售后服務(wù)：完善的售后服務(wù)是保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。用戶在選擇高低溫老化箱時(shí)，應(yīng)選擇能夠提供完善售后服務(wù)的廠家，以便在使用過程中得到及時(shí)的技術(shù)支持和維修保養(yǎng)。

   總之，高低溫老化箱作為工業(yè)品質(zhì)的守護(hù)神，在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。用戶在選擇這款設(shè)備時(shí)，應(yīng)從需求、設(shè)備尺寸、品質(zhì)以及售后服務(wù)等方面進(jìn)行全面考慮，確保選擇到適合自己生產(chǎn)需求的優(yōu)質(zhì)高低溫老化箱。

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上海卷柔儀器設(shè)備有限公司是一家高科技合資企業(yè),生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機(jī)、冷熱沖擊機(jī)、振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)、機(jī)械沖擊機(jī)、跌落試驗(yàn)機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)儀器的公司，研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。經(jīng)驗(yàn)豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持。自公司成立以來,多次服務(wù)于國內(nèi)外大學(xué)和研究所等檢測(cè)機(jī)構(gòu),如清華大學(xué)、蘇州大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、法國申美檢測(cè)、中科院物理所、中科院，SGS等**單位提供實(shí)施室方案和設(shè)備及其相關(guān)服務(wù)。努力開發(fā)半導(dǎo)體、光電、光通訊、航天太空、生物科技、食品、化工、制藥等行業(yè)產(chǎn)品所需的測(cè)試設(shè)備裝置。公司擁有一支的研發(fā)、生產(chǎn)和售後隊(duì)伍，從產(chǎn)品的研發(fā)到售后服務(wù)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都以客戶的觀點(diǎn)與需求作為思考的出發(fā)點(diǎn)。