Types de vieillissement, tests de vieillissement et méthodes anti-vieillissement des matériaux polymères
01 État actuel du développement des matériaux polymères
Les matériaux polymères, en raison de leurs excellentes propriétés telles que la légèreté, la haute résistance, la résistance à la température et la résistance à la corrosion, sont désormais largement utilisés dans de nombreux domaines tels que la fabrication haut de gamme, l'information électronique, les transports, les économies d'énergie des bâtiments, l'aérospatiale et national. industries de défense et militaires. a joué un rôle énorme.
Il s'agit non seulement d'une industrie de base importante de l'économie nationale, mais aussi d'une industrie leader du pays ;
Il ne s'agit pas seulement d'une industrie stratégique émergente dans l'industrie pétrochimique, mais également d'un matériau de soutien important pour les industries émergentes stratégiques telles que l'information électronique, l'aérospatiale, la défense nationale et les nouvelles énergies ;
Non seulement elle a un contenu technologique élevé et une valeur ajoutée élevée, mais elle constitue également une direction importante pour la transformation et la modernisation de l'industrie pétrochimique.
Les matériaux polymères ont donc toujours été un domaine de développement auquel les pays développés et les entreprises multinationales attachent une grande importance. Cela offre non seulement un large espace de marché pour l'industrie des nouveaux matériaux polymères, mais impose également des exigences plus élevées en matière de qualité, de niveau de fiabilité et de capacités de support.
Par conséquent, la manière de maximiser les fonctions des produits en matériaux polymères sur la base des principes d’économie d’énergie, de faible émission de carbone et de développement écologique a attiré de plus en plus d’attention. Le vieillissement est un facteur important affectant la fiabilité et la durabilité des matériaux polymères.
02 Types de vieillissement des matériaux polymères
Lors du traitement, du stockage et de l'utilisation des matériaux polymères, sous l'effet combiné de facteurs internes et externes, leurs propriétés se détériorent progressivement et finissent par perdre leur valeur d'usage. Ce phénomène appartient au vieillissement des matériaux polymères.
Cela entraîne non seulement un gaspillage de ressources, mais peut même conduire à des accidents plus importants dus à des défaillances fonctionnelles, et la décomposition des matériaux provoquée par le vieillissement peut également polluer l'environnement.
En raison des différents types de polymères et des différentes conditions d'utilisation, ils présentent des phénomènes et des caractéristiques de vieillissement différents. De manière générale, le vieillissement des matériaux polymères peut être classé selon les quatre types de changements suivants :
1. Changements d'apparence
L'apparition de taches, de taches, de stries, de fissures, de floraisons, de farinage, d'adhésivité, de déformation, d'yeux de poisson, de rides, de rétrécissement, de brûlure, de distorsion optique et de changements de couleur optique.
2. Modifications des propriétés physiques
Y compris les changements de solubilité, de gonflement, de propriétés rhéologiques, de résistance au froid, de résistance à la chaleur, de perméabilité à l'eau, de perméabilité à l'air et d'autres propriétés.
3. Modifications des propriétés mécaniques
Modifications de la résistance à la traction, de la résistance à la flexion, de la résistance au cisaillement, de la résistance aux chocs, de l'allongement relatif, de la relaxation des contraintes et d'autres propriétés.
4. Modifications des propriétés électriques
Tels que les changements de résistance de surface, de résistance de volume, de constante diélectrique, de résistance aux claquages électriques, etc.
03 Facteurs provoquant le vieillissement des matériaux polymères
1. Analyse macro
Car lors du traitement et de l’utilisation des polymères, ils seront soumis aux effets combinés de facteurs environnementaux tels que la chaleur, l’oxygène, l’eau, la lumière, les micro-organismes et les milieux chimiques. Leur composition chimique et leur structure subiront une série de changements, et leurs propriétés physiques changeront également en conséquence. Détérioration, telle que dureté, caractère collant, fragilité, décoloration, perte de résistance, etc. Ces changements et phénomènes sont appelés vieillissement.
2. Analyse microscopique
Les polymères de haut poids moléculaire formeront des molécules à l’état excité sous l’action de la chaleur ou de la lumière. Lorsque l’énergie est suffisamment élevée, les chaînes moléculaires se brisent pour former des radicaux libres. Les radicaux libres peuvent former des réactions en chaîne à l'intérieur du polymère, continuer à provoquer une dégradation et provoquer une réticulation.
Si de l'oxygène ou de l'ozone est présent dans l'environnement, une série de réactions d'oxydation sera induite pour former des hydroperoxydes (ROOH), qui se décomposeront ensuite en groupes carbonyle.
S'il y a des ions métalliques catalyseurs résiduels dans le polymère, ou si des ions métalliques tels que le cuivre, le fer, le manganèse, le cobalt, etc. sont introduits pendant le traitement et l'utilisation, la réaction de dégradation oxydative du polymère sera accélérée.
04 Test de vieillissement
Lors du développement ou de l'amélioration de nouveaux matériaux, afin de vérifier leur durée de vie ou leur effet anti-âge, des tests de vieillissement sont nécessaires. Les tests de vieillissement courants incluent le vieillissement naturel et le vieillissement accéléré en laboratoire.
1. Vieillissement naturel
Le vieillissement naturel consiste à exposer l'échantillon de matériau directement au milieu naturel. Habituellement, l'échantillon est installé sur le support d'exposition sous un certain angle. Les angles d'exposition courants sont de 5 degrés, 45 degrés et 90 degrés. Les normes d'essai pertinentes comprennent ISO 877 Plastiques - Méthodes d'exposition au rayonnement solaire ; ISO2810 Peintures et vernis - Altération naturelle des revêtements - Exposition et évaluation ; Pratique standard ASTMG7 pour les tests d'exposition environnementale atmosphérique des matériaux non métalliques, etc.
La méthode de test de vieillissement naturel est simple et peu coûteuse, mais son cycle de test est trop long, ce qui affecte la progression de l'optimisation de la conception du produit. De plus, puisqu’il s’agit d’un environnement naturel et que les conditions climatiques ne peuvent être contrôlées, afin d’assurer la reproductibilité des résultats d’essai, le choix du site d’essai est particulièrement important. Les États-Unis ont établi un champ climatique naturel dans le sud de la Floride en 1931, qui est un champ d'exposition au climat chaud et humide standard aux États-Unis. Le site de test établi dans le centre de l’Arizona est un site standard d’exposition à la chaleur sèche. Le site d'essai d'exposition de Turpan du Centre national de surveillance et d'inspection de la qualité des produits automobiles de mon pays est également un site d'exposition typique aux climats secs et chauds. La température maximale dans la région de Turpan de mai à août est supérieure à 40 degrés, la température maximale extrême est de 49,6 degrés et les précipitations annuelles moyennes ne sont que de 8 mm. Le champ d'exposition à Qionghai, Hainan présente des conditions climatiques typiques chaudes et humides. La température moyenne annuelle est de 27,4 degrés et les précipitations annuelles moyennes peuvent atteindre 2 134 mm.
2. Vieillissement accéléré en laboratoire
Afin d'accélérer le cycle de test et d'obtenir des données de vieillissement plus rapidement, le laboratoire utilise généralement des sources de lumière artificielle pour simuler le rayonnement solaire, faire correspondre différentes conditions de température, d'humidité et de pluie, etc., et peut simuler divers climats naturels.
1) Sélection de la source lumineuse
Les sources de lumière artificielle couramment utilisées comprennent les lampes à arc au xénon, les lampes aux halogénures métalliques et les lampes fluorescentes ultraviolettes. Les lampes fluorescentes UV peuvent très bien simuler la lumière du soleil dans les plages UV à ondes moyennes et UV à ondes courtes. Les lampes à arc au xénon et les lampes aux halogénures métalliques peuvent très bien simuler la lumière du soleil dans tout le spectre. Par conséquent, les chambres d'essai qui utilisent des lampes au xénon et des lampes aux halogénures métalliques comme sources de lumière peuvent bien simuler le rayonnement solaire, tandis que les chambres de vieillissement qui utilisent des lampes fluorescentes ultraviolettes ne sont pas destinées à imiter la lumière du soleil, mais seulement à simuler l'effet de vieillissement de la lumière du soleil. De plus, il existe sur le marché des boîtiers vieillissants qui utilisent des lampes à arc de carbone comme source de lumière. Cependant, le spectre de l'arc de carbone n'a pas une bonne corrélation avec le spectre de la lumière solaire, et l'utilisation de tests avec des lampes à arc de carbone est motivée par des raisons historiques.
2) Pertinence du vieillissement accéléré
La corrélation fait référence au degré de cohérence entre les résultats de vieillissement accéléré en laboratoire et les résultats de vieillissement du matériau dans l'environnement d'utilisation réel. Ce n’est que lorsque le test de vieillissement accéléré est pertinent qu’il peut véritablement refléter la résistance aux intempéries du matériau et prédire véritablement sa durée de vie. Des tests accélérés déraisonnables réduiront la pertinence du test et perdront même son sens.
3) La tendance au développement du vieillissement accéléré dans les laboratoires
Comme mentionné au début, les facteurs d'influence du vieillissement des matériaux comprennent le rayonnement solaire, la température, l'eau et d'autres facteurs. Le vieillissement des matériaux est le résultat de l’action conjointe de ces facteurs, mais il ne s’agit pas d’une simple superposition des effets de divers facteurs. La synergie entre eux doit également être prise en compte. Par conséquent, une simulation plus complète de l’environnement d’utilisation réel du matériau peut conduire à des résultats plus pertinents. Par exemple, selon la norme ISO 20340, le test est basé sur un cycle de 7 jours. Du 1er au 3ème jour, un test UV avec un cycle lumière et obscurité est effectué selon la norme ISO 11507. Du 4ème au 6ème jour, un test au brouillard salin est effectué selon la norme ISO 9227. Le 7ème jour ({{9} } Test à basse température de ±2) degrés. Par rapport au test traditionnel de résistance aux intempéries, il intègre davantage de facteurs influençant le vieillissement et est plus conforme aux conditions d'utilisation réelles du matériau, de sorte qu'il peut mieux refléter le vieillissement réel du matériau. Nous savons que les moisissures, la concentration d’ozone, etc. ont tous un impact important sur le vieillissement des produits en plastique. Comment intégrer davantage de facteurs de vieillissement dans les tests sera l'une des orientations de développement du vieillissement accéléré dans les laboratoires.
05 Méthodes d'anti-vieillissement des matériaux polymères
À l'heure actuelle, les principales méthodes pour améliorer et renforcer les propriétés anti-âge des matériaux polymères sont les suivantes :
1. Protection physique (telle que l'épaississement, la peinture, la composition de la couche externe, etc.)
Le vieillissement des matériaux polymères, en particulier le vieillissement au photooxygène, commence d'abord à la surface du matériau ou du produit, se manifestant par une décoloration, un poudrage, une fissuration, une perte de brillance, etc., puis pénètre progressivement plus profondément à l'intérieur. Les produits minces sont plus susceptibles de tomber en panne prématurément que les produits épais, de sorte que la durée de vie du produit peut être prolongée en épaississant le produit. Pour les produits sujets au vieillissement, vous pouvez appliquer une couche de revêtement ayant une bonne résistance aux intempéries sur la surface, ou combiner une couche de matériau ayant une bonne résistance aux intempéries sur la couche externe du produit pour fixer une couche protectrice à la surface du produit. Ralentissez le processus de vieillissement.
2. Améliorer la technologie de traitement
De nombreux matériaux présentent également des problèmes de vieillissement lors du processus de synthèse ou de préparation. Par exemple, l'influence de la chaleur pendant la polymérisation, le vieillissement thermique de l'oxygène pendant le traitement, etc. En conséquence, l'impact de l'oxygène peut être atténué en ajoutant un dispositif d'élimination de l'oxygène ou un dispositif sous vide pendant la polymérisation ou le traitement. Cependant, cette méthode ne peut garantir les performances du matériau qu'à sa sortie de l'usine, et cette méthode ne peut être mise en œuvre qu'à partir de la source de préparation du matériau et ne peut pas résoudre le problème du vieillissement lors de son retraitement et de son utilisation.
3. Conception structurelle ou modification de matériaux polymères
De nombreux matériaux polymères contiennent des groupes très sensibles au vieillissement dans leur structure moléculaire. Par conséquent, grâce à la conception de la structure moléculaire du matériau, le remplacement des groupes sujets au vieillissement par des groupes non sujets au vieillissement peut souvent obtenir de bons résultats. Ou encore, des groupes fonctionnels ou des structures ayant des effets anti-âge peuvent être introduits dans la chaîne polymère par greffage ou copolymérisation, conférant au matériau lui-même d'excellentes fonctions anti-âge. C’est aussi une méthode souvent utilisée par les chercheurs, mais son coût est relativement élevé. Une production et une application à grande échelle ne peuvent pas être réalisées pour le moment.
4. Ajoutez des additifs anti-âge
À l'heure actuelle, un moyen efficace et courant d'améliorer la résistance au vieillissement des matériaux polymères consiste à ajouter des additifs anti-âge, largement utilisés en raison de leur faible coût et de l'absence de modifications des processus de production existants. Il existe deux manières principales d’ajouter ces additifs anti-âge :
Méthode d'ajout direct d'additifs : c'est-à-dire que l'additif anti-âge (poudre ou liquide) est directement mélangé et agité avec des matières premières telles que la résine, puis extrudé pour la granulation ou le moulage par injection, etc. Parce que cette méthode d'ajout est simple et facile à mettre en œuvre, il est largement utilisé par la majorité des usines de pelletisation et de moulage par injection.
Méthode d'ajout de mélange maître anti-âge : les fabricants ayant des exigences plus élevées en matière de qualité des produits et de stabilité de la qualité utilisent plus souvent la méthode d'ajout de mélange maître anti-âge pendant la production. Le mélange maître anti-âge est obtenu en utilisant une résine appropriée comme support, mélangée à une variété d'additifs anti-âge efficaces, puis co-extrudé et granulé par une extrudeuse à double vis. Son avantage d'application réside dans l'utilisation d'additifs anti-âge dans le processus de préparation du mélange maître. Tout d'abord, la pré-dispersion est obtenue, puis dans le processus de traitement ultérieur du matériau, les additifs anti-âge sont dispersés secondairement, atteignant ainsi l'objectif d'une dispersion uniforme des additifs dans la matrice du matériau polymère, ce qui garantit non seulement la stabilité de la qualité du produit, mais également il évite la pollution par la poussière pendant la production, rendant la production plus verte et respectueuse de l'environnement.