انواع پیری، تست های پیری و روش های ضد پیری مواد پلیمری
01 وضعیت فعلی توسعه مواد پلیمری
مواد پلیمری به دلیل خواص عالی مانند وزن سبک، استحکام بالا، مقاومت در برابر دما و مقاومت در برابر خوردگی، امروزه به طور گسترده در بسیاری از زمینهها مانند تولید پیشرفته، اطلاعات الکترونیکی، حملونقل، حفظ انرژی ساختمان، هوافضا و ملی استفاده میشوند. صنایع دفاعی و نظامی نقش بزرگی ایفا کرد
این نه تنها یک صنعت اساسی مهم اقتصاد ملی است، بلکه یک صنعت پیشرو در کشور است.
این نه تنها یک صنعت نوظهور استراتژیک در صنعت پتروشیمی است، بلکه یک ماده حمایتی مهم برای صنایع نوظهور استراتژیک مانند اطلاعات الکترونیکی، هوافضا، دفاع ملی و انرژی های نو است.
نه تنها از محتوای تکنولوژیکی و ارزش افزوده بالایی برخوردار است، بلکه جهت گیری مهمی برای تحول و ارتقاء صنعت پتروشیمی است.
بنابراین، مواد پلیمری همواره یکی از حوزه های توسعه ای بوده است که کشورهای توسعه یافته و شرکت های چند ملیتی به آن اهمیت زیادی می دهند. این نه تنها فضای بازار گستردهای را برای صنعت مواد پلیمری جدید فراهم میکند، بلکه الزامات بالاتری را برای عملکرد کیفی، سطح قابلیت اطمینان و قابلیتهای پشتیبانی آن مطرح میکند.
بنابراین، چگونگی به حداکثر رساندن عملکرد محصولات مواد پلیمری بر اساس اصول حفظ انرژی، کربن کم و توسعه اکولوژیکی توجه بیشتر و بیشتری را به خود جلب کرده است. پیری عامل مهمی بر قابلیت اطمینان و دوام مواد پلیمری است.
02 انواع پیری مواد پلیمری
در طول فرآوری، نگهداری و استفاده از مواد پلیمری، به دلیل اثرات ترکیبی عوامل داخلی و خارجی، خواص آنها به تدریج خراب شده و در نهایت ارزش مصرفی خود را از دست می دهند. این پدیده مربوط به پیری مواد پلیمری است.
این امر نه تنها باعث هدر رفتن منابع می شود، بلکه ممکن است به دلیل خرابی عملکرد منجر به حوادث بزرگ تری شود و تجزیه مواد ناشی از پیری نیز ممکن است محیط زیست را آلوده کند.
با توجه به انواع مختلف پلیمرها و شرایط استفاده متفاوت، پدیده های پیری و ویژگی های متفاوتی دارند. به طور کلی، پیری مواد پلیمری را می توان به چهار نوع تغییر زیر طبقه بندی کرد:
1. تغییر در ظاهر
ظاهر لکه ها، لکه ها، رگه ها، ترک ها، شکوفه ها، گچ شدن، چسبندگی، تاب برداشتن، چشم ماهی، چین و چروک، چروکیدگی، سوزاندن، اعوجاج نوری و تغییر رنگ نوری.
2. تغییرات در خواص فیزیکی
از جمله تغییرات در حلالیت، تورم، خواص رئولوژیکی، مقاومت در برابر سرما، مقاومت در برابر حرارت، نفوذپذیری آب، نفوذپذیری هوا و سایر خواص.
3. تغییرات در خواص مکانیکی
تغییرات در استحکام کششی، مقاومت خمشی، مقاومت برشی، استحکام ضربه، ازدیاد طول نسبی، شل شدن تنش و سایر خواص.
4. تغییرات در خواص الکتریکی
مانند تغییر در مقاومت سطح، مقاومت حجمی، ثابت دی الکتریک، قدرت شکست الکتریکی و غیره.
03 عوامل ایجاد کننده پیری مواد پلیمری
1. تحلیل کلان
زیرا در حین فرآوری و استفاده از پلیمرها در معرض اثرات ترکیبی عوامل محیطی مانند گرما، اکسیژن، آب، نور، میکروارگانیسم ها و محیط های شیمیایی قرار خواهند گرفت. ترکیب شیمیایی و ساختار آنها دستخوش یک سری تغییرات خواهد شد و خواص فیزیکی آنها نیز بر این اساس تغییر خواهد کرد. زوال، مانند سختی، چسبندگی، شکنندگی، تغییر رنگ، از دست دادن استحکام و ... این تغییرات و پدیده ها را پیری می نامند.
2. تجزیه و تحلیل میکروسکوپی
پلیمرهای مولکولی بالا، مولکولهای حالت برانگیخته را تحت تأثیر گرما یا نور تشکیل میدهند. وقتی انرژی به اندازه کافی بالا باشد، زنجیره های مولکولی شکسته می شوند و رادیکال های آزاد تشکیل می دهند. رادیکالهای آزاد میتوانند واکنشهای زنجیرهای در داخل پلیمر ایجاد کنند، به تخریب ادامه دهند و ممکن است باعث ایجاد پیوند متقابل شوند.
اگر اکسیژن یا ازن در محیط وجود داشته باشد، یک سری واکنش های اکسیداسیون برای تشکیل هیدروپراکسیدها (ROOH) ایجاد می شود که بیشتر به گروه های کربونیل تجزیه می شود.
اگر یون های فلزی کاتالیزور باقیمانده در پلیمر وجود داشته باشد یا یون های فلزی مانند مس، آهن، منگنز، کبالت و غیره در هنگام پردازش و استفاده وارد شوند، واکنش تخریب اکسیداتیو پلیمر تسریع می شود.
04 تست پیری
در توسعه یا بهبود مواد جدید، به منظور تأیید عمر مفید یا اثر ضد پیری آنها، آزمایش پیری مورد نیاز است. آزمایشات رایج پیری شامل پیری طبیعی و پیری تسریع شده آزمایشگاهی است.
1. پیری طبیعی
پیری طبیعی عبارت است از قرار دادن نمونه مواد به طور مستقیم در معرض محیط طبیعی. معمولاً نمونه با زاویه خاصی روی قفسه نوردهی نصب می شود. زوایای نوردهی معمول 5 درجه، 45 درجه و 90 درجه است. استانداردهای تست مربوطه شامل ISO 877 Plastics - Methods of Exposure to SunRadiation. ISO2810 رنگ و لاک - هوازدگی طبیعی پوشش ها - قرار گرفتن در معرض و ارزیابی. تمرین استاندارد ASTMG7 برای آزمایش قرار گرفتن در معرض محیطی جوی مواد غیرفلزی و غیره.
روش تست پیری طبیعی ساده و کم هزینه است، اما چرخه آزمایش آن بسیار طولانی است که بر پیشرفت بهینه سازی طراحی محصول تأثیر می گذارد. علاوه بر این، از آنجایی که محیط طبیعی است و شرایط آب و هوایی قابل کنترل نیست، به منظور اطمینان از تکرارپذیری نتایج آزمایش، انتخاب محل آزمایش اهمیت ویژه ای دارد. ایالات متحده در سال 1931 یک میدان آب و هوایی طبیعی در فلوریدا جنوبی ایجاد کرد که یک میدان استاندارد قرار گرفتن در معرض آب و هوای گرم و مرطوب در ایالات متحده است. محل آزمایش که در مرکز آریزونا ایجاد شده است، یک مکان استاندارد قرار گرفتن در معرض گرمای خشک است. سایت تست قرار گرفتن در معرض تورپان مرکز نظارت و بازرسی کیفیت محصولات خودروهای موتوری کشور من نیز یک سایت معمولی در معرض آب و هوای خشک و گرم است. حداکثر دما در منطقه تورپان از اردیبهشت تا مرداد بالای 40 درجه، حداکثر دمای حداکثر 49.6 درجه و میانگین بارندگی سالانه تنها 8 میلی متر است. میدان نوردهی در Qionghai، هاینان دارای شرایط آب و هوایی معمولی گرم و مرطوب است. میانگین سالانه دما 27.4 درجه و میانگین بارندگی سالانه به 2134 میلی متر می رسد.
2. تسریع پیری در آزمایشگاه
به منظور سرعت بخشیدن به چرخه آزمایش و به دست آوردن سریعتر داده های پیری، آزمایشگاه معمولاً از منابع نور مصنوعی برای شبیه سازی تابش خورشیدی، مطابقت با شرایط مختلف دما، رطوبت و باران و غیره استفاده می کند و می تواند آب و هوای طبیعی مختلف را شبیه سازی کند.
1) انتخاب منبع نور
منابع نور مصنوعی رایج شامل لامپ های قوس زنون، لامپ های متال هالید و لامپ های فلورسنت فرابنفش هستند. لامپ های فلورسنت UV می توانند نور خورشید را به خوبی در محدوده UV موج متوسط و UV موج کوتاه شبیه سازی کنند. لامپ های قوس زنون و لامپ های متال هالید می توانند نور خورشید را به خوبی در طیف کامل شبیه سازی کنند. بنابراین، اتاقهای آزمایشی که از لامپهای زنون و لامپهای متال هالید بهعنوان منبع نور استفاده میکنند، میتوانند تابش نور خورشید را به خوبی شبیهسازی کنند، در حالی که اتاقهای پیری که از لامپهای فرابنفش فلورسنت استفاده میکنند، برای تقلید از نور خورشید در نظر گرفته نشدهاند، بلکه فقط اثر پیری نور خورشید را شبیهسازی میکنند. علاوه بر این، جعبه های قدیمی در بازار وجود دارد که از لامپ های قوس کربنی به عنوان منبع نور استفاده می کنند. با این حال، طیف قوس کربنی همبستگی خوبی با طیف نور خورشید ندارد و استفاده از آزمایش لامپ قوس کربنی به دلایل تاریخی است.
2) مربوط به پیری تسریع شده
همبستگی به درجه سازگاری بین نتایج پیری سریع در آزمایشگاه و نتایج پیری مواد در محیط استفاده واقعی اشاره دارد. تنها زمانی که تست پیری تسریع شده مرتبط باشد، می تواند واقعاً مقاومت در برابر آب و هوای مواد را منعکس کند و واقعاً عمر مفید مواد را پیش بینی کند. تست تسریع نامعقول باعث کاهش ارتباط آزمون و حتی از دست دادن مفهوم آن می شود.
3) روند توسعه پیری سریع در آزمایشگاه ها
همانطور که در ابتدا ذکر شد، عوامل موثر در پیری مواد شامل تابش خورشید، دما، آب و عوامل دیگر است. پیری مواد نتیجه عمل مشترک این عوامل است، اما برهم نهی ساده تأثیر عوامل مختلف نیست. هم افزایی بین آنها نیز باید در نظر گرفته شود. بنابراین، شبیه سازی جامع تر از محیط استفاده واقعی از مواد می تواند به نتایج مرتبط بهتری منجر شود. به عنوان مثال، طبق استاندارد ISO 20340، آزمون بر اساس یک چرخه 7 روزه است. در روز اول تا سوم تست UV با چرخه روشنایی و تاریکی بر اساس ISO 11507 انجام می شود و در روز چهارم تا ششم آزمایش نمک پاشی بر اساس ISO 9227 انجام می شود و در روز هفتم ({{9}) } تست دمای پایین ± 2) درجه . در مقایسه با تست سنتی مقاومت در برابر آب و هوا، عوامل موثر بر پیری بیشتری را ادغام می کند و با شرایط استفاده واقعی از مواد مطابقت دارد، بنابراین می تواند پیری واقعی مواد را بهتر منعکس کند. ما می دانیم که کپک، غلظت ازن و غیره همگی تاثیر مهمی در پیری محصولات پلاستیکی دارند. نحوه ادغام بیشتر عوامل پیری در آزمایش یکی از جهت گیری های توسعه پیری سریع در آزمایشگاه ها خواهد بود.
05 روش های ضد پیری مواد پلیمری
در حال حاضر روش های اصلی بهبود و افزایش خواص ضد پیری مواد پلیمری شامل موارد زیر است:
1. حفاظت فیزیکی (مانند ضخیم شدن، رنگ آمیزی، ترکیب لایه بیرونی و غیره)
پیری مواد پلیمری، به ویژه پیری با اکسیژن نوری، ابتدا از سطح ماده یا محصول شروع می شود و به صورت تغییر رنگ، پودر شدن، ترک خوردن، از بین رفتن براقیت و غیره ظاهر می شود و سپس به تدریج به عمق داخل نفوذ می کند. محصولات نازک نسبت به محصولات ضخیم بیشتر احتمال دارد که زودتر از موعد خراب شوند، بنابراین عمر مفید محصول را می توان با ضخیم کردن محصول افزایش داد. برای محصولاتی که مستعد پیری هستند، میتوانید لایهای از پوشش با مقاومت در برابر آب و هوای خوب را روی سطح اعمال کنید یا لایهای از مواد را با مقاومت خوب در برابر آب و هوا روی لایه بیرونی محصول ترکیب کنید تا یک لایه محافظ به سطح آن بچسبانید. تولید - محصول. روند پیری را کند کنید.
2. بهبود فن آوری پردازش
بسیاری از مواد نیز در طول فرآیند سنتز یا آماده سازی دارای مشکلات پیری هستند. به عنوان مثال، تأثیر گرما در طول پلیمریزاسیون، پیری اکسیژن حرارتی در طول پردازش و غیره. به همین ترتیب، تأثیر اکسیژن را می توان با افزودن یک دستگاه حذف اکسیژن یا یک دستگاه خلاء در طول پلیمریزاسیون یا پردازش کاهش داد. با این حال، این روش تنها می تواند عملکرد مواد را در هنگام خروج از کارخانه تضمین کند و این روش تنها از منبع تهیه مواد قابل اجرا است و نمی تواند مشکل پیری را در هنگام پردازش مجدد و استفاده از آن حل کند.
3. طراحی سازه یا اصلاح مواد پلیمری
بسیاری از مواد پلیمری حاوی گروه هایی هستند که در ساختار مولکولی خود بسیار مستعد پیری هستند. بنابراین، از طریق طراحی ساختار مولکولی مواد، جایگزینی گروه هایی که مستعد پیری هستند با گروه هایی که مستعد پیری نیستند، اغلب می تواند به نتایج خوبی دست یابد. یا گروه ها یا ساختارهای عاملی با اثرات ضد پیری را می توان از طریق پیوند یا کوپلیمریزاسیون به زنجیره پلیمر وارد کرد و به خود ماده عملکردهای ضد پیری عالی می بخشد. این نیز روشی است که اغلب توسط محققان استفاده می شود، اما هزینه آن نسبتاً بالا است. تولید و کاربرد در مقیاس بالا در حال حاضر قابل دستیابی نیست.
4. افزودنی های ضد پیری را اضافه کنید
در حال حاضر، یک راه موثر و رایج برای بهبود مقاومت در برابر پیری مواد پلیمری، افزودن افزودنیهای ضد پیری است که به دلیل هزینه کم و عدم تغییر در فرآیندهای تولید موجود، بسیار مورد استفاده قرار میگیرند. دو راه اصلی برای افزودن این مواد افزودنی ضد پیری وجود دارد:
روش افزودن مستقیم مواد افزودنی: یعنی افزودنی ضد پیری (پودر یا مایع) مستقیماً با مواد اولیه مانند رزین مخلوط و هم زده می شود و سپس برای دانه بندی یا قالب گیری تزریقی و ... اکسترود می شود زیرا این روش افزودن ساده و آسان است. برای پیاده سازی، به طور گسترده توسط اکثر کارخانه های گندله سازی و قالب گیری تزریقی استفاده می شود.
روش افزودن مستربچ ضد پیری: تولیدکنندگانی که نیازهای بالاتری برای کیفیت محصول و ثبات کیفیت دارند، بیشتر از روش افزودن مستربچ ضد پیری در طول تولید استفاده میکنند. مستربچ ضد پیری با استفاده از رزین مناسب به عنوان حامل، مخلوط با انواع مواد افزودنی ضد پیری کارآمد و سپس اکسترود و دانه بندی توسط یک اکسترودر دو مارپیچ به دست می آید. مزیت کاربرد آن در استفاده از افزودنی های ضد پیری در فرآیند آماده سازی مستربچ است. ابتدا، پیش پراکندگی حاصل می شود، و سپس در فرآیند پردازش مواد بعدی، افزودنی های ضد پیری ثانویه پراکنده می شوند و به هدف پراکندگی یکنواخت مواد افزودنی در ماتریس مواد پلیمری دست می یابند، که نه تنها ثبات کیفیت مواد را تضمین می کند. محصول، بلکه از آلودگی گرد و غبار در حین تولید جلوگیری می کند و تولید را سبزتر و دوستدار محیط زیست می کند.