Le vieillissement des matériaux polymères de caoutchouc est généralement indissociable de la chambre d'essai de vieillissement. Lechambre d'essai de vieillissement à l'ozoneest un équipement de test essentiel pour les matériaux en caoutchouc. La chambre d'essai de vieillissement à l'ozone peut détecter la fiabilité des produits en caoutchouc, détecter leurs défauts, puis améliorer et renforcer la compétitivité des produits, aidant ainsi les entreprises à contrôler les coûts et à augmenter leurs bénéfices.
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Les matériaux polymères comprennent les plastiques, le caoutchouc, les fibres, les films, les adhésifs et les revêtements. En raison de leurs nombreuses propriétés potentielles supérieures aux matériaux de structure traditionnels, ils sont de plus en plus utilisés dans les domaines militaire et civil. Les matériaux polymères sont légers, très résistants, résistants à la corrosion et possèdent de bonnes propriétés de protection. Ils sont largement utilisés dans l’aviation, l’automobile, les navires, les infrastructures, les produits militaires et d’autres domaines.
Cependant, pendant le traitement, le stockage et l'utilisation, en raison des effets combinés de facteurs internes et externes tels que la lumière, la chaleur, l'oxygène, l'eau, les rayonnements à haute énergie, l'érosion chimique et biologique, la composition chimique et la structure des matériaux polymères subiront une modification. une série de changements, et les propriétés physiques se détérioreront également en conséquence, telles que le durcissement, le caractère collant, la fragilité, la décoloration, la perte de résistance, etc. Ce phénomène est appelé vieillissement des matériaux polymères. L'essence du vieillissement des matériaux polymères fait référence aux changements dans la structure physique ou chimique, qui se manifestent par une diminution progressive des performances du matériau et la perte de sa valeur d'usage.
Le vieillissement et la défaillance des matériaux polymères sont devenus l’un des principaux problèmes limitant le développement et l’application ultérieurs des matériaux polymères.
Phénomène de vieillissement
En raison des différentes variétés de polymères et des différentes conditions d'utilisation, il existe différents phénomènes et caractéristiques de vieillissement. Par exemple, le film plastique agricole change de couleur, devient cassant et présente une transparence réduite après avoir été exposé au soleil et à la pluie ; le plexiglas aéronautique développe des stries argentées et a une transparence réduite après une utilisation à long terme ; les produits en caoutchouc perdent leur élasticité, durcissent, se fissurent ou deviennent mous et collants après une utilisation à long terme ; la peinture perd de son brillant, se poudre, fait des bulles et s'écaille après une utilisation à long terme. Le phénomène du vieillissement peut se résumer aux quatre changements suivants :
1. Changements d'apparence
Taches, taches, stries argentées, fissures, gel, poudrage, caractère collant, déformation, yeux de poisson, rides, rétrécissement, brûlure, distorsion optique et 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 et à l'air.
3. Modifications des propriétés mécaniques
Modifications des propriétés telles que la résistance à la traction, la résistance à la flexion, la résistance au cisaillement, la résistance aux chocs, l'allongement relatif et la relaxation des contraintes.
4. Modifications des propriétés électriques
Tels que les changements de résistance de surface, de résistance de volume, de constante diélectrique et de résistance aux claquages électriques.
Facteurs de vieillissement
Les propriétés physiques des matériaux polymères sont étroitement liées à leur structure chimique et à leur structure globale. La structure chimique est une structure à longue chaîne de macromolécules reliées par des liaisons covalentes, et la structure globale est une structure spatiale dans laquelle de nombreuses macromolécules sont disposées et empilées par des forces moléculaires, telles que cristallines, amorphes et cristallines-amorphes.
Les forces intermoléculaires qui maintiennent la structure globale comprennent les forces de liaison ioniques, les forces de liaison métalliques, les forces de liaison covalentes et les forces de Van der Waals. Les facteurs environnementaux peuvent provoquer des modifications des forces intermoléculaires, voire une rupture de chaîne ou la perte de certains groupes, ce qui finira par détruire la structure globale du matériau et modifier ses propriétés physiques. Il existe généralement deux facteurs qui affectent le vieillissement des matériaux polymères : les facteurs internes et les facteurs externes.
Facteurs internes
1. Structure chimique des polymères
Le vieillissement des polymères est étroitement lié à leur propre structure chimique. Les parties à liaison faible de la structure chimique sont facilement affectées par des facteurs externes et se brisent pour devenir des radicaux libres. Ce radical libre est le point de départ pour initier des réactions radicalaires libres.
2. Forme physique
Certaines liaisons moléculaires des polymères sont disposées dans l’ordre, tandis que d’autres sont désordonnées. Les liaisons moléculaires ordonnées peuvent former des zones cristallines, et les liaisons moléculaires désordonnées sont des zones amorphes. La morphologie de nombreux polymères n’est pas uniforme, mais semi-cristalline, avec des zones cristallines et amorphes. La réaction de vieillissement démarre à partir de la zone amorphe.
3. Régularité stéréoscopique
La régularité stéréoscopique d'un polymère est étroitement liée à sa cristallinité. Généralement, les polymères ordinaires ont une meilleure résistance au vieillissement que les polymères aléatoires.
4. Le poids moléculaire et sa distribution générale
Le poids moléculaire d'un polymère a peu à voir avec le vieillissement, mais la répartition du poids moléculaire a une grande influence sur les performances de vieillissement du polymère. Plus la distribution est large, plus il est facile de vieillir, car plus la distribution est large, plus il y a de groupes finaux et plus il est facile de provoquer des réactions de vieillissement.
5. Impuretés de métaux traces et autres impuretés
Lorsque les polymères sont traités, ils entrent en contact avec des métaux et des traces de métaux peuvent s'y mélanger, ou certains catalyseurs métalliques peuvent rester pendant la polymérisation, ce qui affectera l'initiation de l'auto-oxydation (c'est-à-dire le vieillissement).
Facteurs externes
1. L'influence de la température
À mesure que la température augmente, le mouvement des chaînes polymères s'intensifie. Une fois que l’énergie de dissociation des liaisons chimiques est dépassée, cela provoquera une dégradation thermique des chaînes polymères ou une perte de groupe. Il existe actuellement un grand nombre de publications sur la dégradation thermique des matériaux polymères ; lorsque la température diminue, les propriétés mécaniques du matériau sont souvent affectées. Les points de température critiques étroitement liés aux propriétés mécaniques comprennent la température de transition vitreuse T, la température d'écoulement visqueux Tf et le point de fusion Tm. L'état physique du matériau peut être divisé en état de verre, état hautement élastique et état d'écoulement visqueux.
2. L'influence de l'humidité
L'influence de l'humidité sur les matériaux polymères peut être attribuée au gonflement et à la dissolution de l'eau sur le matériau, ce qui modifie les forces intermoléculaires qui maintiennent la structure globale du matériau polymère, détruisant ainsi l'état global du matériau. En particulier pour les polymères amorphes non réticulés, l'influence de l'humidité est extrêmement évidente, ce qui fera gonfler ou même désintégrer le matériau polymère à l'état agrégé, nuisant ainsi aux performances du matériau ; pour les plastiques cristallins ou les fibres, du fait de l'existence de restrictions de pénétration de l'eau, l'influence de l'humidité n'est pas très évidente.
3. L'influence de l'oxygène
L'oxygène est la principale cause du vieillissement des matériaux polymères. En raison de leur perméabilité à l'oxygène, les polymères cristallins sont plus résistants à l'oxydation que les polymères amorphes. L'oxygène attaque d'abord les maillons faibles de la chaîne principale des polymères, tels que les doubles liaisons, les groupes hydroxyles, les groupes hydrogène ou les atomes des atomes de carbone tertiaires, formant des radicaux peroxyles ou des peroxydes du polymère, puis provoque la rupture de la chaîne principale à cet endroit. Dans les cas graves, le poids moléculaire du polymère diminue considérablement, la température de transition vitreuse diminue et le polymère devient collant. En présence de certains initiateurs ou éléments métalliques de transition facilement décomposables en radicaux libres, on a tendance à intensifier la réaction d'oxydation.
4. Photovieillissement
Le fait que le polymère soit exposé à la lumière et provoque la rupture de la chaîne moléculaire dépend de la taille relative de l'énergie lumineuse et de l'énergie de dissociation ainsi que de la sensibilité de la structure chimique du polymère aux ondes lumineuses. En raison de la présence de la couche d’ozone et de l’atmosphère à la surface de la Terre, la gamme de longueurs d’onde de la lumière solaire pouvant atteindre le sol se situe entre 290 nm et 4 300 nm. Seules les ondes lumineuses dans la région ultraviolette ont une énergie d’onde lumineuse supérieure à l’énergie de dissociation des liaisons chimiques, ce qui entraînera la rupture des liaisons chimiques des polymères.
Par exemple, les longueurs d'onde ultraviolettes de 300 nm à 400 nm peuvent être absorbées par des polymères contenant des groupes carbonyle et des doubles liaisons, provoquant la rupture des chaînes macromoléculaires, la modification des structures chimiques et la détérioration des propriétés des matériaux ; le polyéthylène téréphtalate a une forte absorption des rayons ultraviolets de 280 nm et les produits de dégradation sont principalement du CO, du H et du CH ; les polyoléfines contenant uniquement des liaisons CC n'absorbent pas les rayons ultraviolets, mais en présence d'une petite quantité d'impuretés, telles que des groupes carbonyle, des liaisons insaturées, des groupes hydroperoxydes, des résidus de catalyseur, des hydrocarbures aromatiques et des éléments de métaux de transition, elles peuvent favoriser la photooxydation. réaction des polyoléfines.
5. Influence des milieux chimiques
Les milieux chimiques ne peuvent jouer un rôle que lorsqu'ils pénètrent à l'intérieur des matériaux polymères. Ces effets incluent les liaisons covalentes et les liaisons secondaires. L'effet des liaisons covalentes se manifeste par une scission de chaîne, une réticulation, une addition ou une combinaison de ces effets de chaînes polymères. Il s'agit d'un processus chimique irréversible ; bien que la destruction des liaisons secondaires par des milieux chimiques n'entraîne pas de modifications de la structure chimique, la structure globale du matériau changera, entraînant des modifications correspondantes de ses propriétés physiques.
Les changements physiques tels que la fissuration sous contrainte environnementale, la fissuration par dissolution et la plastification sont des manifestations typiques du vieillissement chimique des matériaux polymères.
La manière d’éliminer les fissures de dissolution consiste à éliminer les contraintes internes du matériau. Le recuit après la formation du matériau favorise l'élimination des contraintes internes du matériau. La plastification se produit lorsque le milieu liquide est en contact continu avec le matériau polymère. L'interaction entre le polymère et le milieu à petites molécules remplace partiellement l'interaction entre les polymères, rendant les segments de la chaîne polymère plus faciles à déplacer, ce qui se manifeste par une diminution de la température de transition vitreuse, une diminution de la résistance, de la dureté et du module élastique de le matériau, et une augmentation de l'allongement à la rupture.
6. Vieillissement biologique
Étant donné que les produits en plastique utilisent presque tous divers additifs au cours du processus de transformation, ils deviennent souvent une source de nutrition pour les moisissures. Lorsque la moisissure se développe, elle absorbe les nutriments à la surface et à l'intérieur du plastique et devient du mycélium, qui est également un conducteur, réduisant ainsi l'isolation du plastique, modifiant son poids et se décollant dans les cas graves. Les métabolites de la croissance des moisissures contiennent des acides organiques et des toxines, qui rendront la surface du plastique collante, décolorée, cassante et réduiront la douceur, et amèneront également les personnes qui ont un contact à long terme avec de tels plastiques moisis à contracter des maladies.
Les polymères naturels de polysaccharides et leurs composés modifiés peuvent être transformés en films, feuilles, conteneurs, produits en mousse jetables dégradables, etc. par mélange et modification avec des plastiques généraux. Leurs déchets peuvent être progressivement hydrolysés en petits composés moléculaires grâce à l'intervention d'enzymes de décomposition des polymères naturels de polysaccharides tels que l'amylase, largement présents dans l'environnement naturel, et finalement décomposés en dioxyde de carbone et en eau non pollués, retournant dans la biosphère. Sur la base de ces avantages, les composés polymères naturels polysaccharides représentés par l’amidon restent un composant important des plastiques dégradables.
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