ゴムポリマー材料の老化は、通常、老化試験室と切り離せないものです。オゾン老化試験室ゴム材料にとって不可欠な試験装置です。オゾン老化試験室はゴム製品の信頼性を検査し、欠陥を検出し、製品の競争力を向上させ、強化することで、企業のコスト管理と利益増加に役立ちます。
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ポリマー材料には、プラスチック、ゴム、繊維、フィルム、接着剤、コーティングなどがあり、従来の構造材料よりも優れた多くの潜在的な特性があるため、軍事分野や民間分野でますます使用されています。ポリマー材料は軽量、高強度、耐腐食性に優れ、保護特性も優れています。航空、自動車、船舶、インフラ、軍事製品などの分野で広く使用されています。
しかし、加工、保管、使用の過程で、光、熱、酸素、水、高エネルギー放射線、化学的および生物学的侵食などの内部および外部要因の複合的な影響により、ポリマー材料の化学組成と構造は一連の変化を起こし、それに応じて物理的特性も劣化します。たとえば、硬化、粘着性、脆性、変色、強度の低下などです。この現象はポリマー材料の老化と呼ばれます。ポリマー材料の老化の本質は、物理的構造または化学構造の変化を指し、材料の性能が徐々に低下し、本来の使用価値が失われることとして現れます。
ポリマー材料の老化と故障は、ポリマー材料のさらなる開発と応用を制限する重要な問題の 1 つになっています。
老化現象
ポリマーの種類や使用条件が異なるため、老化現象や特性も異なります。例えば、農業用プラスチックフィルムは、日光や雨にさらされると色が変わり、脆くなり、透明性が低下します。航空用プレキシガラスは、長期間使用すると銀色の縞が現れ、透明性が低下します。ゴム製品は、長期間使用すると弾力性が失われ、硬化、ひび割れ、または柔らかく粘着性になります。塗料は、長期間使用すると光沢が失われ、粉、泡、剥がれが発生します。老化現象は、次の4つの変化にまとめることができます。
1. 外見の変化
汚れ、シミ、銀色の筋、ひび割れ、霜、粉化、べたつき、反り、魚の目、しわ、縮み、焦げ、光学的歪み、光学的色の変化。
2. 物理的性質の変化
溶解性、膨潤性、レオロジー特性、耐寒性、耐熱性、透水性、通気性の変化を含みます。
3. 機械的性質の変化
引張強度、曲げ強度、せん断強度、衝撃強度、相対伸び、応力緩和などの特性の変化。
4. 電気特性の変化
表面抵抗、体積抵抗、誘電率、電気破壊強度の変化など。
老化の要因
高分子材料の物理的性質は、その化学構造と集合構造に密接に関係しています。化学構造は、共有結合によってつながった高分子の長い鎖構造であり、集合構造は、結晶性、非晶質、結晶-非晶質など、多数の高分子が分子力によって配列され、積み重ねられた空間構造です。
集合構造を維持する分子間力には、イオン結合力、金属結合力、共有結合力、ファンデルワールス力などがあります。環境要因により分子間力が変化し、鎖切断や特定のグループの脱落が発生する可能性があり、最終的には材料の集合構造が破壊され、材料の物理的特性が変化します。通常、ポリマー材料の老化に影響を与える要因は、内部要因と外部要因の 2 つです。
内部要因
1. ポリマーの化学構造
ポリマーの老化はポリマー自身の化学構造と密接に関係しています。化学構造の弱い結合部分は外部要因の影響を受けやすく、壊れてフリーラジカルになります。このフリーラジカルがフリーラジカル反応を開始する出発点となります。
2. 物理的な形状
ポリマーの分子結合には、整然と並んでいるものもあれば、無秩序に並んでいるものもあります。整然と並んでいる分子結合は結晶領域を形成し、無秩序に並んでいる分子結合は非晶質領域です。多くのポリマーの形態は均一ではなく、結晶領域と非晶質領域の両方を持つ半結晶質です。老化反応は非晶質領域から始まります。
3. 立体的な規則性
ポリマーの立体規則性は、その結晶性と密接に関係しています。一般的に、規則的なポリマーは、ランダムなポリマーよりも耐老化性に優れています。
4. 分子量とその一般的な分布
ポリマーの分子量は老化とあまり関係がありませんが、分子量の分布はポリマーの老化性能に大きな影響を与えます。分布が広いほど老化しやすくなります。分布が広いほど、末端基が多くなり、老化反応を起こしやすくなるためです。
5. 微量金属不純物およびその他の不純物
ポリマーを加工する際には金属と接触し、微量金属が混入したり、重合中に金属触媒が残留したりすることがあり、これが自動酸化（老化）の開始に影響を及ぼします。
外部要因
1. 温度の影響
温度が上昇するにつれて、ポリマー鎖の動きが激しくなります。化学結合の解離エネルギーを超えると、ポリマー鎖の熱劣化またはグループ脱落を引き起こします。現在、ポリマー材料の熱劣化に関する文献報告は多数あり、温度が低下すると、材料の機械的性質が影響を受けることがよくあります。機械的性質と密接に関連する臨界温度点には、ガラス転移温度T、粘性流動温度Tf、融点Tmが含まれます。材料の物理的状態は、ガラス状態、高弾性状態、粘性流動状態に分けられます。
2. 湿度の影響
湿度がポリマー材料に与える影響は、材料上の水の膨潤と溶解に起因し、ポリマー材料の集合構造を維持する分子間力が変化し、それによって材料の集合状態が破壊されます。特に、非架橋非晶質ポリマーの場合、湿度の影響は非常に顕著であり、ポリマー材料が集合状態で膨潤したり、さらには崩壊したりして、材料の性能が損なわれます。結晶性プラスチックまたは繊維の場合、水の浸透制限が存在するため、湿度の影響はあまり顕著ではありません。
3. 酸素の影響
酸素はポリマー材料の老化の主な原因です。酸素の透過性により、結晶性ポリマーは非晶質ポリマーよりも酸化に対して耐性があります。酸素はまず、二重結合、ヒドロキシル基、水素基、または第三炭素原子上の原子など、ポリマーの主鎖上の弱いリンクを攻撃し、ポリマーのペルオキシラジカルまたは過酸化物を形成し、次にこの位置で主鎖を切断します。ひどい場合には、ポリマーの分子量が大幅に減少し、ガラス転移温度が低下し、ポリマーが粘着性になります。特定の開始剤や、容易にフリーラジカルに分解される遷移金属元素が存在すると、酸化反応が激化する傾向があります。
4. 光老化
ポリマーが光にさらされて分子鎖が切断されるかどうかは、光エネルギーと解離エネルギーの相対的な大きさと、ポリマーの化学構造の光波に対する感受性に依存します。地球の表面にオゾン層と大気が存在するため、地上に到達できる太陽光の波長範囲は290nm〜4300nmです。紫外線領域の光波のみが化学結合解離エネルギーよりも大きい光波エネルギーを持ち、ポリマーの化学結合が切断されます。
例えば、300nm～400nmの紫外線波長は、カルボニル基や二重結合を含むポリマーに吸収され、高分子鎖の切断、化学構造の変化、材料特性の劣化を引き起こします。ポリエチレンテレフタレートは280nmの紫外線を強く吸収し、分解生成物は主にCO、H、CHです。CC結合のみを含むポリオレフィンは紫外線を吸収しませんが、カルボニル基、不飽和結合、ヒドロペルオキシド基、触媒残留物、芳香族炭化水素、遷移金属元素などの微量の不純物が存在すると、ポリオレフィンの光酸化反応を促進する可能性があります。
5. 化学媒体の影響
化学媒体は、ポリマー材料の内部に浸透した場合にのみ役割を果たします。これらの効果には、共有結合と二次結合が含まれます。共有結合の効果は、ポリマー鎖の切断、架橋、付加、またはこれらの効果の組み合わせとして現れます。これは不可逆的な化学プロセスです。化学媒体による二次結合の破壊は化学構造の変化を引き起こしませんが、材料の集合構造が変化し、それに応じて物理的特性が変化します。
環境応力割れ、溶解割れ、可塑化などの物理的変化は、ポリマー材料の化学的媒体老化の典型的な兆候です。
溶解割れを解消する方法は、材料の内部応力を解消することです。材料を成形した後のアニーリングは、材料の内部応力を解消するのに役立ちます。可塑化とは、液体媒体がポリマー材料と連続的に接触することです。ポリマーと小分子媒体の相互作用は、ポリマー間の相互作用を部分的に置き換え、ポリマー鎖セグメントが動きやすくします。これは、ガラス転移温度の低下、材料の強度、硬度、弾性率の低下、破断時の伸びの増加として現れます。
6. 生物学的老化
プラスチック製品は、加工工程でさまざまな添加剤を使用しているため、多くの場合、カビの栄養源になります。カビが成長すると、プラスチックの表面と内部の栄養を吸収して菌糸体になり、導体でもあるため、プラスチックの絶縁性が低下し、重量が変化し、ひどい場合は剥がれてしまいます。カビの成長の代謝物には有機酸と毒素が含まれており、プラスチックの表面がべたつき、変色し、もろくなり、滑らかさが低下します。また、カビの生えたプラスチックに長期間接触すると、病気にかかる原因にもなります。
多糖類天然高分子およびその改質化合物は、一般プラスチックとの混合や改質により、分解可能な使い捨てフィルム、シート、容器、発泡製品などに加工することができます。その廃棄物は、自然環境に広く存在するアミラーゼなどの多糖類天然高分子分解酵素の介入により、徐々に小分子化合物に加水分解され、最終的に無公害の二酸化炭素と水に分解され、生物圏に戻ります。これらの利点に基づき、デンプンに代表される多糖類天然高分子化合物は、依然として分解性プラスチックの重要な構成成分となっています。
BOTO GROUP LTD. は、20 年以上にわたり、さまざまな試験機器を専門に製造してきた企業です。
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