高分子材料通常分為塑料、橡膠、纖維、涂料和膠黏劑五大類(lèi),也就是我們所說(shuō)的五大合成材料。它們在戶(hù)外使用時(shí),長(cháng)期暴露于戶(hù)外環(huán)境下,受到太陽(yáng)光(特別是290nm-400nm波長(cháng)范圍內的紫外線(xiàn))照射、氧氣、雨水、露水等因素的作用,極易發(fā)生如褪色、發(fā)脆、變硬、發(fā)粘、表面龜裂以及機械性能變差等老化現象,致使其提前失去原有功能和使用價(jià)值。
高分子材料的老化已成為一個(gè)非常重要的問(wèn)題,實(shí)際造成的危害要比人們想象的嚴重得多, 尤其是在苛刻環(huán)境條件下,常導致設備過(guò)早失效、材料大量流失,不但在經(jīng)濟上受到很大損失, 導致資源的浪費,甚至因材料的失效分解造成對環(huán)境的污染。
目前,研究高分子材料的老化試驗方法有很多,主要包括氣候老化試驗,紫外老化試驗,臭氧老化試驗,熱空氣老化試驗,高低溫交變老化試驗,濕熱老化試驗,介質(zhì)老化試驗,鹽霧老化試驗等。
1、氣候老化試驗
所謂氣候老化試驗就是將高分子材料試驗樣品暴露于大氣環(huán)境條件下,從而獲得材料樣品在大氣環(huán)境暴露下的老化規律,對高分子材料的性能進(jìn)行分析,并預測其使用壽命的一種研究方法。
氣候老化試驗又可以分為兩種:
其中一種便是自然暴露試驗,即將高分子材料試驗樣品暴露于真實(shí)的大氣環(huán)境下,以獲得材料在真實(shí)環(huán)境下的老化行為,這種老化試驗方法所獲得的老化信息尤為準確,是獲得高分子材料老化行為的尤為有效的方法,但是這種試驗方法周期時(shí)間太長(cháng),費時(shí)費力。在美國的佛羅里達州、中國的萬(wàn)寧、漠河以及武漢等地都有人進(jìn)行過(guò)為期超過(guò)一年的大氣暴露試驗。
另外一種便是人工氣候老化試驗,人工氣候老化試驗即是指人通過(guò)在室內對真實(shí)大氣環(huán)境條件進(jìn)行模擬或者是加強某一環(huán)境因素以在短時(shí)間內獲得材料老化行為的老化試驗方法,這又被稱(chēng)為人工模擬老化或者人工加速老化。人工氣候老化通常是在人工氣候老化箱內進(jìn)行的。通常使用的人工氣候老化箱主要有氙燈氣候老化老化箱、熒光燈氣候老化試驗箱以及碳弧燈氣候老化試驗箱等。這幾種氣候老化試驗箱都是從光照、溫度、濕度、雨水或者凝露等主要氣候因素對自然環(huán)境因素進(jìn)行模擬或加強而實(shí)現材料老化的。此外,材料的老化試驗還要依據一定的測試標準進(jìn)行開(kāi)展。
2、紫外老化試驗
太陽(yáng)光中的紫外光,由于其所具備的光能與高分子化學(xué)鍵的鍵能相當,能夠引起高分子化合物鏈的斷裂,是導致高分子材料老化降解的主要因素。紫外老化試驗即是指將高分子材料老化試驗樣品置于紫外光場(chǎng)下,進(jìn)行暴露,從而獲得高分子材料老化行為及規律的試驗方法。通常紫外老化試驗會(huì )規定,紫外區及輻照強度,比如40W/m2,在300nm—400nm波長(cháng)范圍內等。紫外老化試驗所使用的光源通常有氙燈、熒光燈、氚燈以及氘燈等,其中氙燈能夠很好的模擬太陽(yáng)光譜,熒光燈能夠很好的模擬太陽(yáng)光中的紫外光譜,氚燈所提供的能量較強,一般用于做加速老化試驗。
3、臭氧老化試驗
臭氧是大氣中及其稀少的氣體,但是其卻對高分子材料的破壞力較強,臭氧能夠與高分子材料化學(xué)結構中的不飽和鍵以及還原性基團發(fā)生不可逆轉的化學(xué)反應,導致高分子材料發(fā)生氧化降解,從而失去使用價(jià)值。尤其是對于含有雙鍵的橡膠材料,表現出較強的破壞力。臭氧具有很強的活性,它能夠分解出活性更強的原子氧,與橡膠分子中的雙鍵進(jìn)行化學(xué)反應,導致橡膠發(fā)生老化,出現龜裂、變脆等現象。高分子材料的臭氧老化試驗通常在臭氧老化試驗箱內進(jìn)行,臭氧由臭氧發(fā)生器提供,其濃度可通過(guò)混合器與空氣混合進(jìn)行調節,臭氧的濃度一般根據材料實(shí)際使用所處的環(huán)境條件來(lái)確定。另外,臭氧老化箱內的溫度、濕度等因素也可進(jìn)行調節,從而達到試驗的目的,獲取材料的耐臭氧老化性能以及臭氧老化行為與規律。
4、熱空氣老化試驗
熱是導致高分子材料發(fā)生老化的主要因素之一,熱可以加速高分子鏈的運動(dòng),導致高分子鏈的斷裂,產(chǎn)生活性自由基,使其發(fā)生自由基鏈反應,導致高分子發(fā)生降解或交聯(lián),熱空氣老化試驗是評價(jià)高分子材料,研究高分子材料耐老化性能的主要試驗方法之一,通常在恒溫鼓風(fēng)干燥試驗箱內進(jìn)行。干燥箱內溫度可根據試驗要求進(jìn)行設定,高分子材料暴露于干燥性?xún)榷ㄆ谌?,進(jìn)行測試,以獲取高分子材料的老化行為與規律,從而有針對性的對高分子材料進(jìn)行改性,提高其使用性能。
5、溫度交變老化試驗
溫度是導致高分子材料老化的又一重要因素,對于高分子膠黏劑而言,高溫可以加速高分子膠黏劑鏈的運動(dòng)速率,低溫則可以導致高分子膠黏劑產(chǎn)生內應力,高低溫交變導致高分子膠黏劑發(fā)生鏈的斷裂,發(fā)生老化降解。對于橡膠而言,高溫可加速分子鏈的熱運動(dòng),使橡膠發(fā)生交聯(lián),低溫可導致橡膠分子鏈的凍結,使其變脆,彈性下降,發(fā)生老化。高低溫交變老化試驗是評價(jià)高分子材料耐溫性能的老化試驗方法,通常在溫度交變老化試驗箱內進(jìn)行,從某一溫度T1(一般為室溫)以恒定的升溫速率升溫至某一溫度T2,維持T2溫度一定時(shí)間,然后再以恒定的降溫速率,降溫降至某一溫度T3,維持T3溫度一定時(shí)間,然后在升溫至T1,此為一個(gè)溫度循環(huán)。循環(huán)周期長(cháng)短,可根據具體試驗要求而定。
6、濕熱老化試驗
濕熱老化試驗是評價(jià)高分子材料在高濕、高溫環(huán)境下耐老化性能的有效方法。在高濕度環(huán)境下,水分能夠滲透到高分子材料內部,導致高分子材料發(fā)生溶脹,部分親水性基團發(fā)生水解,導致高分子材料發(fā)生老化降解。另外,水分滲入到高分子材料內部,還能夠導致高分子材料內部的添加劑,如增塑劑、配合劑以及其它物質(zhì)的溶解與遷移,影響高分子材料的機械性能。在高熱的作用下,熱又可以促進(jìn)水分的這種滲透作用,熱促進(jìn)高分子鏈運動(dòng)加劇,分子間作用力減小,促進(jìn)了水分的滲透作用,加速了高分子材料的降解。不同的高分子材料有不同的配方,所以他們的濕熱老化機理也不盡相同,濕熱老化試驗進(jìn)行時(shí)要根據不同的高分子材料,選用不同的老化標準。濕熱老化試驗通常在濕熱老化試驗箱內進(jìn)行,溫度和濕度可以根據試驗要求自行設定。
7、介質(zhì)老化試驗
某些高分子材料在使用的過(guò)程中要長(cháng)期在某種介質(zhì)中浸泡,比如長(cháng)期從事海上作業(yè)或海底作業(yè)的裝備上的高分子材料要長(cháng)期在海水中浸泡,航空飛機某些部件要長(cháng)期接觸航空燃油等,這都要求高分子材料擁有較強的耐介質(zhì)老化性能。耐介質(zhì)老化老化試驗是評價(jià)高分子材料耐介質(zhì)老化性能,預測其在某種介質(zhì)中的壽命等常用的一種試驗方法。老化試驗所使用的介質(zhì),可以根據高分子材料具體所使用的環(huán)境進(jìn)行配制,可以是人造海水、鹽水、雨水、酸堿溶液、燃油以及其它有機溶劑等等。