高分子材料の老化の種類、老化試験および老化防止方法
01 高分子材料開発の現状
ポリマー材料は、軽量、高強度、耐熱性、耐食性などの優れた特性により、現在、ハイエンド製造、電子情報、輸送、建築省エネルギー、航空宇宙、国家などの多くの分野で広く使用されています。防衛産業と軍事産業。 大きな役割を果たしました。
それは国民経済の重要な基礎産業であるだけでなく、国の主導産業でもあります。
石油化学産業の戦略的新興産業であるだけでなく、電子情報、航空宇宙、国防、新エネルギーなどの戦略的新興産業の重要な支援材料でもあります。
それは高い技術内容と高い付加価値を有するだけでなく、石油化学産業の変革と高度化にとって重要な方向性でもあります。
したがって、ポリマー材料は先進国や多国籍企業が常に重視している開発分野です。 これにより、新しいポリマー材料業界に幅広い市場スペースが提供されるだけでなく、その品質パフォーマンス、信頼性レベル、サポート能力に対するより高い要件も提示されます。
したがって、省エネ、低炭素、環境発展の原則に基づいてポリマー材料製品の機能を最大限に引き出す方法がますます注目を集めています。 経年劣化は、ポリマー材料の信頼性と耐久性に影響を与える重要な要素です。
02 高分子材料の老化の種類
ポリマー材料の加工、保管、使用中に、内的要因と外的要因の複合的な影響により、ポリマー材料の特性は徐々に劣化し、最終的には使用価値を失います。 この現象はポリマー材料の老化に属します。
これは資源の無駄遣いとなるだけでなく、機能不全による大きな事故につながる可能性や、経年劣化による材料の分解による環境汚染の可能性もあります。
ポリマーの種類や使用条件の違いにより、老化現象や特性も異なります。 一般に、高分子材料の経年変化は次の 4 種類の変化に分類できます。
1. 外観の変化
シミ、シミ、スジ、ひび割れ、ブルーム、チョーキング、べたつき、反り、フィッシュアイ、シワ、縮み、焼け、光学歪み、光学色の変化などの外観。
2. 物性の変化
溶解性、膨潤性、レオロジー特性、耐寒性、耐熱性、透水性、通気性などの変化を含みます。
3. 機械的性質の変化
引張強さ、曲げ強さ、せん断強さ、衝撃強さ、相対伸び、応力緩和などの特性の変化。
4. 電気的特性の変化
表面抵抗、体積抵抗、誘電率、絶縁破壊強度などの変化など。
03 高分子材料の老化要因
1. マクロ分析
ポリマーの加工および使用中に、熱、酸素、水、光、微生物、化学媒体などの環境要因の複合的な影響を受けるためです。 それらの化学組成と構造は一連の変化を受け、それに応じて物理的特性も変化します。 硬さ、ベタつき、脆さ、変色、強度の低下などの劣化。これらの変化や現象を老化といいます。
2. 顕微鏡分析
高分子ポリマーは、熱や光の作用により励起状態の分子を形成します。 エネルギーが十分に高いと、分子鎖が切断されてフリーラジカルが形成されます。 フリーラジカルはポリマー内で連鎖反応を形成し、劣化を引き起こし続け、架橋を引き起こす可能性があります。
環境中に酸素またはオゾンが存在すると、一連の酸化反応が誘発されてヒドロペルオキシド (ROOH) が形成され、さらにカルボニル基に分解されます。
ポリマー中に触媒金属イオンが残留したり、加工や使用中に銅、鉄、マンガン、コバルトなどの金属イオンが混入すると、ポリマーの酸化劣化反応が促進されます。
04 老化試験
新しい材料の開発や改良では、その寿命や老化防止効果を検証するために老化試験が必要です。 一般的な老化試験には、自然老化と実験室加速老化が含まれます。
1.自然な老化
ナチュラルエージングとは、素材サンプルを自然環境に直接さらすことです。 通常、サンプルは特定の角度で露光ラックに設置されます。 一般的な照射角度は 5 度、45 度、90 度です。 関連する試験規格には、ISO 877 プラスチック - 太陽光への暴露方法が含まれます。 ISO2810 塗料およびワニス - コーティングの自然風化 - 暴露と評価。 ASTMG7 非金属材料等の大気環境暴露試験の標準実務
自然老化試験方法はシンプルで低コストですが、試験サイクルが長すぎるため、製品設計の最適化の進捗に影響を与えます。 また、自然環境であり気象条件をコントロールすることができないため、試験結果の再現性を確保するためには、試験場の選定が特に重要となります。 米国は 1931 年に南フロリダに自然気候フィールドを設立しました。これは、米国における標準的な高温多湿の気候にさらされるフィールドです。 アリゾナ州中央部に設置された試験場は、標準的な乾熱曝露場です。 私の国の国家自動車製品品質監督検査センターのトルファン暴露試験場も、典型的な乾燥した高温気候の暴露現場です。 トルファン地区の5月から8月の最高気温は40度を超え、極最高気温は49.6度、平均年間降水量はわずか8mmです。 海南省瓊海市の曝露場は、典型的な高温多湿の気候条件にあります。 年間平均気温は27.4度、年間平均降水量は2134mmにもなります。
2. 実験室での老化の加速
テストサイクルを短縮し、経年変化データをより速く取得するために、研究室では通常、人工光源を使用して太陽放射をシミュレートし、さまざまな温度、湿度、雨の条件などを調整し、さまざまな自然気候をシミュレートできます。
1) 光源の選択
一般的に使用される人工光源には、キセノンアークランプ、メタルハライドランプ、紫外線蛍光灯などがあります。 UV 蛍光ランプは、中波 UV および短波 UV 範囲で太陽光を非常によくシミュレートできます。 キセノンアークランプとメタルハライドランプは、スペクトル全体で太陽光を非常によくシミュレートできます。 したがって、キセノンランプやメタルハライドランプを光源として使用する試験室は太陽光放射を十分にシミュレートできますが、蛍光紫外線ランプを使用するエージング室は太陽光を模倣することを目的としたものではなく、太陽光の老化効果をシミュレートするだけです。 さらに、カーボンアークランプを光源として使用するエージングボックスも市販されています。 ただし、炭素アークランプのスペクトルは太陽光のスペクトルと良好な相関関係がなく、炭素アークランプのテストが使用されるのは歴史的な理由によるものです。
２）老化の促進との関連性
相関関係とは、実験室での加速劣化の結果と実際の使用環境での材料の劣化の結果との間の一貫性の度合いを指します。 加速老化試験が適切である場合にのみ、材料の耐候性を真に反映し、材料の耐用年数を正確に予測できます。 不当な加速テストはテストの妥当性を低下させ、さらにはその意味を失います。
3) 研究室の高齢化加速の進展傾向
冒頭で述べたように、材料の老化に影響を与える要因には、日射量、温度、水分などが含まれます。 材料の老化はこれらの要因の共同作用の結果ですが、さまざまな要因の影響が単純に重なったものではありません。 それらの間の相乗効果も考慮する必要があります。 したがって、材料の実際の使用環境をより包括的にシミュレーションすると、より適切な結果が得られます。 たとえば、ISO 20340 規格によれば、テストは 7 日のサイクルに基づいています。 1 日目から 3 日目には ISO 11507 に従って明暗サイクルの UV テストが実行されます。4 日目から 6 日目には ISO 9227 に従って塩水噴霧テストが実行されます。7 日目 ({{9} ｝ ±2)度の低温試験。 従来の耐候性試験と比較して、より多くの老化影響要因が統合され、材料の実際の使用条件により一致するため、材料の実際の老化をよりよく反映できます。 カビ、オゾン濃度などがプラスチック製品の老化に重要な影響を与えることはわかっています。 より多くの老化要因を検査に統合する方法は、研究室における加速老化の開発方向の 1 つとなります。
05 高分子材料の老化防止方法
現在、ポリマー材料の老化防止特性を改善および強化する主な方法には次のようなものがあります。
1. 物理的保護（増粘、塗装、外層配合等）
高分子材料の老化、特に光酸素老化は、まず材料や製品の表面から始まり、変色、粉化、ひび割れ、光沢損失などとして現れ、徐々に内部に深く浸透していきます。 薄い製品は厚い製品よりも早期に故障する可能性が高いため、製品を厚くすることで製品の耐用年数を延ばすことができます。 経年劣化しやすい製品の場合は、表面に耐候性の良い塗料を塗布したり、製品の外層に耐候性の良い材料を配合して表面に保護層を付けることができます。製品。 老化の進行を遅らせます。
2. 加工技術の向上
多くの材料には、合成または調製プロセス中に経年劣化の問題も発生します。 例えば、重合中の熱、加工中の熱酸素老化などの影響です。これに対応して、酸素の影響は、重合中または加工中に酸素除去装置または真空装置を追加することによって軽減できます。 しかし、この方法は材料が工場から出荷される時点での性能を保証することしかできず、この方法は材料の準備のソースからのみ実行でき、再処理および使用中の経年劣化の問題を解決することはできません。
3. 高分子材料の構造設計または改質
多くのポリマー材料には、分子構造内に老化の影響を非常に受けやすい基が含まれています。 したがって、材料の分子構造設計により、老化しやすい基を老化しにくい基に置き換えることで、良好な結果が得られることがよくあります。 あるいは、グラフト化や共重合によって高分子鎖に老化防止効果のある官能基や構造を導入し、素材自体に優れた老化防止機能を持たせることもできます。 これも研究者がよく使う方法ですが、コストが比較的高くなります。 当面は、高度かつ大規模な生産と応用は実現できません。
4. 老化防止添加剤を加える
現在、ポリマー材料の耐老化性を向上させる効果的かつ一般的な方法は、老化防止添加剤を添加することです。これは、低コストであり、既存の製造プロセスに変更がないため、広く使用されています。 これらの老化防止添加剤を添加するには、主に 2 つの方法があります。
添加剤の直接添加法：老化防止添加剤（粉末または液体）を樹脂などの原料と直接混合・撹拌し、押出して造粒や射出成形などを行う方法です。この添加方法は簡便であるため、添加方法が簡単です。実装するには、大多数のペレット化および射出成形工場で広く使用されています。
老化防止マスターバッチの添加方法: 製品の品質と品質安定性に対する要求が高いメーカーでは、生産中に老化防止マスターバッチを添加する方法がよく使用されます。 老化防止マスターバッチは、キャリアとして適切な樹脂を使用し、さまざまな効果的な老化防止添加剤と混合し、二軸押出機で共押出して顆粒化することによって得られます。 その応用上の利点は、マスターバッチの調製プロセスで老化防止添加剤を使用できることにあります。 まず、予備分散が行われ、その後の材料処理プロセスで老化防止添加剤が二次分散され、ポリマー材料マトリックス中に添加剤を均一に分散させるという目的が達成されます。これにより、製品の品質安定性が確保されるだけでなく、製品だけでなく、生産中の粉塵汚染も回避し、生産をよりグリーンで環境に優しいものにします。