ประเภทการเสื่อมสภาพ การทดสอบการเสื่อมสภาพ และวิธีการต่อต้านการชราของวัสดุโพลีเมอร์
01 สถานะปัจจุบันของการพัฒนาวัสดุโพลีเมอร์
เนื่องจากวัสดุโพลีเมอร์มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม เช่น น้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ทนต่ออุณหภูมิ และทนต่อการกัดกร่อน ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น การผลิตระดับไฮเอนด์ ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ การขนส่ง การอนุรักษ์พลังงานในอาคาร การบินและอวกาศ และระดับชาติ อุตสาหกรรมการป้องกันและการทหาร มีบทบาทอย่างมาก
ไม่เพียงแต่เป็นอุตสาหกรรมพื้นฐานที่สำคัญของเศรษฐกิจของประเทศเท่านั้น แต่ยังเป็นอุตสาหกรรมชั้นนำของประเทศอีกด้วย
ไม่เพียงแต่เป็นอุตสาหกรรมเกิดใหม่เชิงกลยุทธ์ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีเท่านั้น แต่ยังเป็นวัสดุสนับสนุนที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมเกิดใหม่เชิงกลยุทธ์ เช่น ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ การบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ และพลังงานใหม่
ไม่เพียงแต่มีเนื้อหาทางเทคโนโลยีขั้นสูงและมูลค่าเพิ่มสูงเท่านั้น แต่ยังเป็นทิศทางสำคัญสำหรับการเปลี่ยนแปลงและยกระดับอุตสาหกรรมปิโตรเคมีอีกด้วย
ดังนั้น วัสดุโพลีเมอร์จึงเป็นพื้นที่การพัฒนาที่ประเทศที่พัฒนาแล้วและบริษัทข้ามชาติให้ความสำคัญอย่างยิ่งมาโดยตลอด สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ให้พื้นที่ทางการตลาดที่กว้างขวางสำหรับอุตสาหกรรมวัสดุโพลีเมอร์ใหม่เท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับประสิทธิภาพด้านคุณภาพ ระดับความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการสนับสนุน
ดังนั้นการเพิ่มฟังก์ชันของผลิตภัณฑ์วัสดุโพลีเมอร์ให้สูงสุดตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน การพัฒนาคาร์บอนต่ำ และระบบนิเวศจึงได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ การเสื่อมสภาพเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความน่าเชื่อถือและความทนทานของวัสดุโพลีเมอร์
02 วัสดุโพลีเมอร์ประเภท Aging
ในระหว่างการประมวลผล การจัดเก็บ และการใช้วัสดุโพลีเมอร์ เนื่องจากผลรวมของปัจจัยภายในและภายนอก คุณสมบัติของพวกมันจะค่อยๆ เสื่อมลงและสูญเสียคุณค่าการใช้งานไปในที่สุด ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการเสื่อมสภาพของวัสดุโพลีเมอร์
สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ทำให้เกิดการสิ้นเปลืองทรัพยากร แต่ยังอาจนำไปสู่อุบัติเหตุครั้งใหญ่กว่าเนื่องจากความล้มเหลวในการทำงาน และการย่อยสลายของวัสดุที่เกิดจากการเสื่อมสภาพก็อาจก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมด้วย
เนื่องจากโพลีเมอร์ประเภทต่างๆ และสภาวะการใช้งานที่แตกต่างกัน จึงมีปรากฏการณ์และลักษณะการเสื่อมสภาพที่แตกต่างกัน โดยทั่วไป การเสื่อมสภาพของวัสดุโพลีเมอร์สามารถแบ่งได้เป็นการเปลี่ยนแปลงสี่ประเภทดังต่อไปนี้:
1. การเปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์
การปรากฏตัวของคราบ จุด ริ้ว รอยแตก การบาน ชอล์ก ความเหนียว การบิดเบี้ยว ตาปลา รอยย่น การหดตัว การไหม้เกรียม การบิดเบือนของแสง และการเปลี่ยนสีของแสง
2. การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ
รวมถึงการเปลี่ยนแปลงความสามารถในการละลาย การบวมตัว คุณสมบัติทางรีโอโลยี ความต้านทานความเย็น ความต้านทานความร้อน การซึมผ่านของน้ำ การซึมผ่านของอากาศ และคุณสมบัติอื่นๆ
3. การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกล
การเปลี่ยนแปลงความต้านแรงดึง ความต้านแรงดัด ความต้านแรงเฉือน ความทนแรงกระแทก การยืดตัวสัมพัทธ์ การคลายความเครียด และคุณสมบัติอื่นๆ
4. การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้า
เช่นการเปลี่ยนแปลงความต้านทานพื้นผิว ความต้านทานปริมาตร ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ความแรงของการพังทลายทางไฟฟ้า ฯลฯ
03 ปัจจัยที่ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพของวัสดุโพลีเมอร์
1. การวิเคราะห์มหภาค
เนื่องจากในระหว่างการแปรรูปและการใช้โพลีเมอร์ พวกมันจะต้องเผชิญกับผลกระทบร่วมกันของปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ความร้อน ออกซิเจน น้ำ แสง จุลินทรีย์ และตัวกลางทางเคมี องค์ประกอบและโครงสร้างทางเคมีจะมีการเปลี่ยนแปลงหลายครั้ง และคุณสมบัติทางกายภาพก็จะเปลี่ยนไปตามไปด้วย การเสื่อมสภาพ เช่น ความแข็ง ความเหนียว ความเปราะ การเปลี่ยนสี การสูญเสียความแข็งแรง เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงและปรากฏการณ์เหล่านี้เรียกว่าความชรา
2. การวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์
พอลิเมอร์ที่มีโมเลกุลสูงจะก่อตัวเป็นโมเลกุลที่มีสถานะตื่นเต้นภายใต้การกระทำของความร้อนหรือแสง เมื่อพลังงานสูงเพียงพอ สายโซ่โมเลกุลจะแตกตัวเป็นอนุมูลอิสระ อนุมูลอิสระสามารถก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ภายในโพลีเมอร์ และทำให้เกิดการย่อยสลายต่อไป และอาจก่อให้เกิดการเชื่อมโยงข้าม
หากมีออกซิเจนหรือโอโซนอยู่ในสิ่งแวดล้อม จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นชุดหนึ่งจนเกิดเป็นไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (ROOH) ซึ่งจะสลายตัวต่อไปเป็นกลุ่มคาร์บอนิล
หากมีไอออนของโลหะตัวเร่งปฏิกิริยาตกค้างในโพลีเมอร์ หรือมีการนำไอออนของโลหะ เช่น ทองแดง เหล็ก แมงกานีส โคบอลต์ ฯลฯ มาใช้ในระหว่างการประมวลผลและการใช้งาน ปฏิกิริยาการย่อยสลายออกซิเดชันของโพลีเมอร์จะถูกเร่งให้เร็วขึ้น
04 การทดสอบความชรา
ในการพัฒนาหรือปรับปรุงวัสดุใหม่ เพื่อตรวจสอบอายุการใช้งานหรือผลในการต่อต้านริ้วรอย จำเป็นต้องมีการทดสอบความชรา การทดสอบความชราทั่วไป ได้แก่ การแก่ตามธรรมชาติ และการเร่งความชราในห้องปฏิบัติการ
1.การแก่ชราตามธรรมชาติ
การเสื่อมสภาพตามธรรมชาติคือการเปิดเผยตัวอย่างวัสดุสู่สภาพแวดล้อมทางธรรมชาติโดยตรง โดยปกติแล้วตัวอย่างจะถูกติดตั้งบนชั้นวางแสงในมุมที่กำหนด มุมรับแสงทั่วไปคือ 5 องศา 45 องศา และ 90 องศา มาตรฐานการทดสอบที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ISO 877 Plastics - วิธีการสัมผัสกับรังสีดวงอาทิตย์ ISO2810 สีและวาร์นิช - การผุกร่อนตามธรรมชาติของสารเคลือบ - การสัมผัสและการประเมิน แนวปฏิบัติมาตรฐาน ASTMG7 สำหรับการทดสอบการสัมผัสสิ่งแวดล้อมในบรรยากาศของวัสดุอโลหะ ฯลฯ
วิธีทดสอบความชราตามธรรมชาตินั้นง่ายและมีต้นทุนต่ำ แต่รอบการทดสอบยาวเกินไป ซึ่งส่งผลต่อความคืบหน้าในการเพิ่มประสิทธิภาพของการออกแบบผลิตภัณฑ์ นอกจากนี้ เนื่องจากเป็นสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติและสภาพอากาศไม่สามารถควบคุมได้ เพื่อให้มั่นใจถึงความสามารถในการทำซ้ำของผลการทดสอบ การเลือกสถานที่ทดสอบจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง สหรัฐอเมริกาได้จัดตั้งเขตข้อมูลสภาพภูมิอากาศตามธรรมชาติขึ้นในเซาท์ฟลอริดาในปี พ.ศ. 2474 ซึ่งเป็นเขตข้อมูลสภาพภูมิอากาศร้อนและชื้นมาตรฐานในสหรัฐอเมริกา สถานที่ทดสอบที่จัดตั้งขึ้นในรัฐแอริโซนาตอนกลางเป็นสถานที่ทดสอบความร้อนแห้งมาตรฐาน สถานที่ทดสอบการสัมผัสสาร Turpan ของศูนย์ควบคุมและตรวจสอบคุณภาพผลิตภัณฑ์ยานยนต์แห่งชาติในประเทศของฉันก็เป็นสถานที่สัมผัสอากาศที่แห้งและร้อนโดยทั่วไปเช่นกัน อุณหภูมิสูงสุดในพื้นที่ทูร์ปันตั้งแต่เดือนพฤษภาคมถึงเดือนสิงหาคมอยู่เหนือ 40 องศา อุณหภูมิสูงสุดสุดขั้วคือ 49.6 องศา และปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยต่อปีเพียง 8 มม. พื้นที่รับแสงในเมืองเฉียงไห่ ไหหลำ มีสภาพอากาศร้อนชื้นโดยทั่วไป อุณหภูมิเฉลี่ยทั้งปีอยู่ที่ 27.4 องศา และปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยต่อปีสูงถึง 2134 มม.
2. เร่งความชราในห้องปฏิบัติการ
เพื่อเร่งรอบการทดสอบและรับข้อมูลการเสื่อมสภาพได้เร็วขึ้น ห้องปฏิบัติการมักจะใช้แหล่งกำเนิดแสงเทียมเพื่อจำลองรังสีดวงอาทิตย์ จับคู่อุณหภูมิ ความชื้น และสภาพฝนที่แตกต่างกัน ฯลฯ และสามารถจำลองสภาพอากาศทางธรรมชาติต่างๆ ได้
1) การเลือกแหล่งกำเนิดแสง
แหล่งกำเนิดแสงประดิษฐ์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ หลอดซีนอนอาร์ก หลอดเมทัลฮาไลด์ และหลอดฟลูออเรสเซนต์อัลตราไวโอเลต หลอด UV ฟลูออเรสเซนต์สามารถจำลองแสงแดดได้เป็นอย่างดีในช่วง UV คลื่นกลางและ UV คลื่นสั้น หลอดไฟซีนอนอาร์กและหลอดเมทัลฮาไลด์สามารถจำลองแสงแดดได้ดีมากในสเปกตรัมเต็มรูปแบบ ดังนั้น ห้องทดสอบที่ใช้หลอดซีนอนและหลอดเมทัลฮาไลด์เป็นแหล่งกำเนิดแสงสามารถจำลองการแผ่รังสีแสงแดดได้ดี ในขณะที่ห้องทดสอบที่ใช้หลอดอัลตราไวโอเลตฟลูออเรสเซนต์ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อเลียนแบบแสงแดด แต่เพียงจำลองผลการเสื่อมสภาพของแสงแดดเท่านั้น นอกจากนี้ยังมีกล่องเก่าๆ ในตลาดที่ใช้โคมไฟอาร์คคาร์บอนเป็นแหล่งกำเนิดแสง อย่างไรก็ตาม สเปกตรัมส่วนโค้งคาร์บอนไม่มีความสัมพันธ์ที่ดีกับสเปกตรัมแสงแดด และการใช้การทดสอบหลอดไฟส่วนโค้งคาร์บอนนั้นมีเหตุผลทางประวัติศาสตร์
2) ความเกี่ยวข้องของการเร่งอายุ
ความสัมพันธ์หมายถึงระดับความสอดคล้องระหว่างผลลัพธ์การเสื่อมสภาพแบบเร่งในห้องปฏิบัติการกับผลลัพธ์การเสื่อมสภาพของวัสดุในสภาพแวดล้อมการใช้งานจริง เฉพาะเมื่อการทดสอบการเร่งอายุมีความเกี่ยวข้องเท่านั้นจึงจะสามารถสะท้อนความต้านทานต่อสภาพอากาศของวัสดุได้อย่างแท้จริงและคาดการณ์อายุการใช้งานของวัสดุได้อย่างแท้จริง การทดสอบแบบเร่งด่วนที่ไม่สมเหตุสมผลจะลดความเกี่ยวข้องของการทดสอบและอาจสูญเสียความหมายของการทดสอบด้วยซ้ำ
3) แนวโน้มการพัฒนาการแก่เร็วในห้องปฏิบัติการ
ตามที่กล่าวไว้ในตอนต้น ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการเสื่อมสภาพของวัสดุ ได้แก่ การแผ่รังสีแสงอาทิตย์ อุณหภูมิ น้ำ และปัจจัยอื่นๆ การเสื่อมสภาพของวัสดุเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของปัจจัยเหล่านี้ แต่ไม่ใช่การซ้อนทับกันของผลกระทบของปัจจัยต่างๆ การทำงานร่วมกันระหว่างพวกเขายังต้องได้รับการพิจารณาด้วย ดังนั้นการจำลองสภาพแวดล้อมการใช้งานจริงของวัสดุที่ครอบคลุมมากขึ้นสามารถนำไปสู่ผลลัพธ์ที่เกี่ยวข้องได้ดีขึ้น ตัวอย่างเช่น ตามมาตรฐาน ISO 20340 การทดสอบจะขึ้นอยู่กับรอบเวลา 7 วัน ในวันที่ 1 ถึง 3 จะทำการทดสอบ UV ด้วยวงจรแสงและความมืดตามมาตรฐาน ISO 11507 ในวันที่ 4 ถึง 6 การทดสอบด้วยสเปรย์เกลือจะดำเนินการตามมาตรฐาน ISO 9227 ในวันที่ 7 ({{9} } การทดสอบอุณหภูมิต่ำ ±2) องศา เมื่อเปรียบเทียบกับการทดสอบความต้านทานต่อสภาพอากาศแบบเดิมๆ การทดสอบจะรวมปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการชราภาพมากกว่า และสอดคล้องกับสภาพการใช้งานจริงของวัสดุมากกว่า จึงสามารถสะท้อนอายุที่แท้จริงของวัสดุได้ดีขึ้น เรารู้ว่าเชื้อรา ความเข้มข้นของโอโซน ฯลฯ ล้วนมีผลกระทบสำคัญต่อการเสื่อมสภาพของผลิตภัณฑ์พลาสติก วิธีบูรณาการปัจจัยด้านความชรามากขึ้นในการทดสอบจะเป็นหนึ่งในทิศทางการพัฒนาของการเร่งความชราในห้องปฏิบัติการ
05 วิธีการต่อต้านริ้วรอยของวัสดุโพลีเมอร์
ปัจจุบันวิธีการหลักในการปรับปรุงและเพิ่มคุณสมบัติต่อต้านริ้วรอยของวัสดุโพลีเมอร์มีดังต่อไปนี้:
1. การป้องกันทางกายภาพ (เช่น การทำให้หนาขึ้น การทาสี การผสมชั้นนอก ฯลฯ)
การแก่ของวัสดุโพลีเมอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแก่ชราของโฟโตออกซิเจน เริ่มจากพื้นผิวของวัสดุหรือผลิตภัณฑ์ โดยแสดงออกมาเป็นการเปลี่ยนสี กลายเป็นผง แตกร้าว สูญเสียความมันเงา ฯลฯ จากนั้นค่อย ๆ แทรกซึมลึกเข้าไปในภายใน ผลิตภัณฑ์ที่มีลักษณะบางมีแนวโน้มที่จะเสียหายก่อนเวลาอันควรมากกว่าผลิตภัณฑ์ที่มีลักษณะหนา ดังนั้นอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์จึงสามารถยืดออกไปได้โดยการทำให้ผลิตภัณฑ์มีความหนาขึ้น สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพ คุณสามารถทาชั้นเคลือบที่ทนทานต่อสภาพอากาศที่ดีบนพื้นผิว หรือผสมชั้นของวัสดุที่ทนทานต่อสภาพอากาศที่ดีไว้ที่ชั้นนอกของผลิตภัณฑ์เพื่อติดชั้นป้องกันกับพื้นผิวของ ผลิตภัณฑ์. ชะลอกระบวนการชรา
2. ปรับปรุงเทคโนโลยีการประมวลผล
วัสดุหลายชนิดยังมีปัญหาการเสื่อมสภาพในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์หรือการเตรียมการ ตัวอย่างเช่น อิทธิพลของความร้อนระหว่างการเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชัน การเสื่อมสภาพของออกซิเจนความร้อนในระหว่างกระบวนการผลิต เป็นต้น ในทำนองเดียวกัน ผลกระทบของออกซิเจนสามารถบรรเทาลงได้โดยการเพิ่มอุปกรณ์กำจัดออกซิเจนหรืออุปกรณ์สูญญากาศในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันหรือในกระบวนการผลิต อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้สามารถรับประกันประสิทธิภาพของวัสดุได้เมื่อออกจากโรงงานเท่านั้น และวิธีนี้สามารถทำได้จากแหล่งที่มาของการเตรียมวัสดุเท่านั้น และไม่สามารถแก้ปัญหาการเสื่อมสภาพระหว่างการแปรรูปและการใช้งานซ้ำได้
3. การออกแบบโครงสร้างหรือการดัดแปลงวัสดุโพลีเมอร์
วัสดุโพลีเมอร์หลายชนิดประกอบด้วยกลุ่มที่ไวต่อการแก่ชราในโครงสร้างโมเลกุล ดังนั้น ด้วยการออกแบบโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุ การแทนที่กลุ่มที่มีแนวโน้มที่จะแก่ตัวด้วยกลุ่มที่ไม่เสี่ยงต่อการแก่มักจะให้ผลลัพธ์ที่ดี หรือกลุ่มฟังก์ชันหรือโครงสร้างที่มีฤทธิ์ในการต่อต้านวัยสามารถใส่เข้าไปในสายโซ่โพลีเมอร์ได้โดยการต่อกิ่งหรือโคพอลิเมอร์ไรเซชัน ทำให้ตัววัสดุทำหน้าที่ต่อต้านความชราได้ดีเยี่ยม นี่เป็นวิธีการที่นักวิจัยมักใช้เช่นกัน แต่มีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง การผลิตและการใช้งานในปริมาณมากในระดับสูงไม่สามารถทำได้ในขณะนี้
4. เพิ่มสารเติมแต่งต่อต้านวัย
ในปัจจุบัน วิธีที่มีประสิทธิภาพและใช้กันทั่วไปในการปรับปรุงความต้านทานการเสื่อมสภาพของวัสดุโพลีเมอร์คือการเติมสารเติมแต่งต่อต้านริ้วรอย ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีต้นทุนต่ำและไม่มีการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการผลิตที่มีอยู่ มีสองวิธีหลักในการเพิ่มสารต่อต้านวัยเหล่านี้:
วิธีการเติมสารเติมแต่งโดยตรง: คือสารเติมแต่งชะลอวัย (ผงหรือของเหลว) ผสมโดยตรงแล้วกวนกับวัตถุดิบ เช่น เรซิน แล้วนำไปอัดขึ้นรูปเป็นเม็ดหรือการฉีดขึ้นรูป เป็นต้น เพราะวิธีการเติมนี้ง่ายและสะดวก เพื่อนำไปใช้นั้น มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงงานอัดเม็ดและฉีดขึ้นรูปส่วนใหญ่
วิธีการเติมมาสเตอร์แบทช์ต่อต้านริ้วรอย: ผู้ผลิตที่มีความต้องการสูงกว่าในด้านคุณภาพผลิตภัณฑ์และความเสถียรของคุณภาพมักใช้วิธีการเพิ่มมาสเตอร์แบทช์ต่อต้านริ้วรอยในระหว่างการผลิต มาสเตอร์แบทช์ต่อต้านริ้วรอยได้มาจากการใช้เรซินที่เหมาะสมเป็นตัวพา ผสมกับสารเติมแต่งต่อต้านริ้วรอยที่มีประสิทธิภาพหลากหลายชนิด จากนั้นจึงอัดรีดและบดเป็นเม็ดด้วยเครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ ข้อได้เปรียบในการใช้งานอยู่ที่การใช้สารเติมแต่งต่อต้านริ้วรอยในกระบวนการเตรียมมาสเตอร์แบทช์ ประการแรก การกระจายตัวล่วงหน้าทำได้สำเร็จ จากนั้นในกระบวนการแปรรูปวัสดุในภายหลัง สารเติมแต่งต่อต้านริ้วรอยจะถูกกระจายตัวเป็นลำดับที่สอง โดยบรรลุวัตถุประสงค์ของการกระจายตัวของสารเติมแต่งในเมทริกซ์วัสดุโพลีเมอร์อย่างสม่ำเสมอ ซึ่งไม่เพียงแต่รับประกันเสถียรภาพคุณภาพของ ผลิตภัณฑ์ แต่ยังหลีกเลี่ยงมลภาวะฝุ่นในระหว่างการผลิตทำให้การผลิตเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น