一文搞懂高分子材料的老化類型、老化測試與抗老化方法

上海簡戶儀器設備有限公司是一家高科技合資企業(yè),專業(yè)生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機、冷熱沖擊機、振動試驗機、機械沖擊機、跌落試驗機的環(huán)境試驗儀器的公司，是一家具有研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗設備的公司。經(jīng)驗豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持。現(xiàn)在我們成為許多品牌的供應商。 

高分子材料發(fā)展現(xiàn)狀

高分子材料，因其具有質(zhì)輕、高強度、耐溫、耐腐蝕等優(yōu)異的性能，現(xiàn)在被廣泛應用于制造、電子信息、交通運輸、建筑節(jié)能、航空航天、等諸多領域，發(fā)揮了巨大的作用。

其不僅是國民經(jīng)濟的重要基礎性產(chǎn)業(yè)，也是一個國家先導性的產(chǎn)業(yè)；

既屬石化行業(yè)內(nèi)的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，也是電子信息、航空航天、、新能源等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要配套材料；

不僅自身技術含量高、附加值高，而且是石化產(chǎn)業(yè)轉型升級的重要方向。

所以，高分子材料一直是發(fā)達國家和跨國公司十分重視的發(fā)展領域。這不僅為高分子新材料產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的市場空間，也對其質(zhì)量性能、可靠性水平、保障能力等提出了更高要求。

因此，如何本著節(jié)能、低碳和生態(tài)發(fā)展的原則，發(fā)揮高分子材料制品的功能，就越來越受到人們的關注。而老化正是影響高分子材料可靠性和耐久性的重要因素。

高分子材料的老化類型

高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由于受內(nèi)外因素的綜合作用，其性能逐漸變壞，以致最后喪失使用價值,這種現(xiàn)象就屬于高分子材料的老化。

這不僅造成資源浪費，甚至會因其功能失效釀成更大的事故，而且其老化引起的材料分解也可能會對環(huán)境產(chǎn)生污染。

由于聚合物品種不同，使用條件各異，因而有不同的老化現(xiàn)象和特征。總的來說，高分子材料的老化可歸為以下四種類型的變化：

1.外觀的變化

出現(xiàn)污漬、斑點、銀紋、裂縫、噴霜、粉化、發(fā)粘、翹曲、魚眼、起皺、收縮、焦燒、光學畸變以及光學顏色的變化。

2.物理性能的變化

包括溶解性、溶脹性、流變性能以及耐寒、耐熱、透水、透氣等性能的變化。

3.力學性能的變化

拉伸強度、彎曲強度、剪切強度、沖擊強度、相對伸長率、應力松馳等性能的變化。

4.電性能的變化

如表面電阻、體積電阻、介電常數(shù)、電擊穿強度等的變化。

 造成高分子材料老化的因素

1.宏觀分析

因為高分子聚合物在加工、使用過程中，會受到熱、氧、水、光、微生物、化學介質(zhì)等環(huán)境因素的綜合作用, 其化學組成和結構會發(fā)生一系列變化，物理性能也會相應變壞，如發(fā)硬、發(fā)粘、變脆、變色、失去強度等, 這些變化和現(xiàn)象就稱為老化。

2.微觀分析

高分子聚合物在熱或光的作用下會形成激發(fā)態(tài)的分子，當能量足夠高，分子鏈就會斷裂形成自由基，自由基可以在聚合物內(nèi)部形成鏈式反應，繼續(xù)引發(fā)降解，也可能引起交聯(lián)。

如果環(huán)境中存在氧氣或臭氧，還會誘發(fā)一系列氧化反應，形成氫過氧化物（ROOH），并進一步分解成為羰基。

如果聚合物中存在殘余的催化劑金屬離子，或在加工、使用中帶入金屬離子如銅、鐵、錳、鈷等，會加速聚合物的氧化降解反應。

老化測試

在新材料開發(fā)或改進中，為驗證其使用壽命或防老化效果，就需要進行老化測試。常見的老化測試有自然老化和試驗室加速老化。

1.自然老化

自然老化就是將材料試樣直接暴曬在自然環(huán)境下。通常樣品以一定的角度安裝在暴曬架上，常見的暴曬角度有5 °、45 °、90 °。相關的測試標準有ISO 877 Plastics — Methods of exposure to solarradiation；ISO2810 Paints and varnishes - Natural weathering of coatings - Exposure andassessment；ASTMG7 Standard Practice for Atmospheric Environmental Exposure Testing ofNonmetallic Materials等。

自然老化試驗方法簡便，成本較低，但是其試驗周期太長，影響產(chǎn)品設計的優(yōu)化進度。而且，由于是天然環(huán)境，氣候條件無法控制，為保證試驗結果的再現(xiàn)性，試驗場地的選擇尤為重要。美國1931年在南佛羅里達建立天然氣候場，是美國標準的濕熱氣候暴曬場。在亞利桑那中部建立的試驗場，則是標準的干熱暴曬場。我國的國家機動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心吐魯番暴曬試驗場，也是典型的干熱氣候暴曬場。吐魯番地區(qū)5-8月最高氣溫均在40 ℃以上，高氣溫49.6 ℃，年平均降水量僅為8 mm。而海南瓊海的暴曬場，則是典型的濕熱氣候條件。年平均溫度27.4 ℃，年均降水量高達2134 mm。典型暴曬場環(huán)境數(shù)據(jù)見表2。

表2 典型暴曬場環(huán)境數(shù)據(jù)

2.試驗室加速老化

為加快試驗周期，更快的得到老化數(shù)據(jù)，試驗室通常使用人造光源模擬日光輻射，匹配不同的溫濕度及淋雨條件等，可以模擬各種自然氣候。

1） 光源的選擇

常用的人造光源有氙弧燈、金屬鹵素燈及紫外熒光燈。紫外熒光燈在中波紫外和短波紫外范圍內(nèi)，能很好的模擬日光。而氙弧燈和金屬鹵素燈在全光譜均能很好的模擬日光。因此，使用氙燈和金屬鹵素燈作為光源的試驗箱，能很好的模擬日光輻射，而使用熒光紫外燈的老化箱，其目的并不在于仿制日光，而只是模擬日光的老化效果。除此之外，市場上還有以碳弧燈作為光源的老化箱。但碳弧光譜與日光光譜并沒有很好的相關性，使用碳弧燈測試是歷史原因。

2） 加速老化的相關性

相關性是指，試驗室加速老化的結果與材料在實際使用環(huán)境中發(fā)生老化的結果的一致性程度。加速老化試驗，只有具有相關性，才能真正反映材料的耐候性能，真實預測材料的使用壽命。不合理的加速試驗，會降低測試的相關性，甚至失去意義。

表3 常見的降低相關性的錯誤測試

3）試驗室加速老化的發(fā)展趨勢

如開篇提到的，材料老化的影響因素有日光輻射、溫度、水和其他因素。材料的老化是這些因素共同作用的結果，但并不是簡單的各種因素影響效果的疊加，還需要考慮其間的協(xié)同作用。因此，更全面的模擬材料的實際使用環(huán)境，能夠得到具有更好相關性的結果。例如ISO 20340標準，試驗以7天為1個周期，第1至3天根據(jù)ISO 11507進行具有明暗周期的紫外測試，第4至6天根據(jù)ISO 9227進行鹽霧測試，第7天進行（-20±2）℃的低溫測試。與傳統(tǒng)的耐候性測試相比，綜合了更多的老化影響因素，更符合材料的實際使用工況，因此更能反映材料的實際老化情況。我們知道，霉菌、臭氧濃度等，都對塑料制品的老化有重要影響，如何在測試中綜合更多的老化因素，將是試驗室加速老化的發(fā)展方向之一。

 高分子材料抗老化的方法

目前，改善和提高高分子材料防老化性能的主要方法有以下幾種：

1.物理防護（如加厚、涂裝、外層復合等）

高分子材料的老化，特別是光氧老化，首先是從材料或制品的表面開始，表現(xiàn)為變色、粉化、龜裂、光澤度下降等，然后逐漸往內(nèi)部深入。薄制品比厚制品更容易提早失效，因此通過加厚制品的方法可以延長制品的使用壽命。對于易老化的制品，可以在其表面涂覆或涂布一層耐候性好的涂層，或在制品外層復合一層耐候性好的材料，從而使制品表面附上一層防護層，從而延緩老化進程。

2.改進加工工藝

很多材料在合成或制備過程中，也存在老化的問題。如，聚合過程中熱的影響、加工過程中的熱氧老化等等。那么相應地，可以通過在聚合或加工過程中增加除氧裝置或抽真空裝置等減緩氧氣的影響。但這種方法只能保證材料在出廠時的性能，而且這種方法只能從材料的制備源頭實施，無法解決其在再加工和使用過程中的老化問題。

3.高分子材料的結構設計或改性

很多高分子材料分子結構中存在極易老化的基團，那么通過材料的分子結構設計，以不易老化的基團替代易老化的基團，往往可以起到良好的效果。或者是在高分子分子鏈上通過接枝或共聚的方法引入具有抗老化作用的功能基團或結構，賦予材料本身以優(yōu)異的抗老化功能，也是研究工作者們常采用的方法，但成本較高，暫且不能實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和應用。

4.添加防老化助劑

目前，提高高分子材料耐老化性的有效途徑和常用方法就是添加抗老化助劑，其由于成本較低、且無需改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝而得到廣泛應用。這些抗老化助劑的添加方式主要有兩種：

助劑直接添加法：即將抗老化助劑（粉末或液體）與樹脂等原料直接混合攪拌后擠出造粒或注塑等等。這種添加方式由于簡單易行，從而為廣大的抽粒和注塑廠所廣泛采用。

    隨著科技的飛速發(fā)展，高低溫老化箱在各行各業(yè)中的應用越來越廣泛。這款設備能夠在模擬溫度條件下對產(chǎn)品進行老化測試，從而確保產(chǎn)品在各種環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。本文將帶您了解高低溫老化箱的特點、應用領域以及選型技巧，讓您對這個神奇的設備有更深入的認識。

    一、高低溫老化箱的特點

    高度智能化：高低溫老化箱采用*控制系統(tǒng)和傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制和數(shù)據(jù)采集。用戶只需輸入所需測試的溫度、濕度等參數(shù)，設備便會自動運行并記錄測試結果。

    溫度范圍廣：高低溫老化箱能夠模擬從-80℃到+300℃的溫度環(huán)境，滿足不同用戶的需求。

    濕度可控：部分高低溫老化箱還具備濕度控制功能，能夠在保持溫度穩(wěn)定的同時，對濕度進行精確控制。

    安全可靠：高低溫老化箱采用優(yōu)質(zhì)材料制作，具有良好的保溫性能和穩(wěn)定的運行表現(xiàn)。同時，設備還配備了多重安全保護功能，確保用戶在使用過程中的安全。

    二、高低溫老化箱的應用領域

    電子行業(yè)：高低溫老化箱廣泛應用于手機、電腦、家電等電子產(chǎn)品的老化測試，幫助企業(yè)確保產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。

    汽車行業(yè)：汽車零部件需要在各種溫度下進行可靠性測試，高低溫老化箱能夠模擬各種溫度環(huán)境，對汽車零部件進行嚴格檢測。

    航空航天：航空航天領域?qū)Ξa(chǎn)品的可靠性要求極為嚴格，高低溫老化箱能夠在模擬高空環(huán)境的條件下對產(chǎn)品進行老化測試，確保產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性。

    醫(yī)療行業(yè)：醫(yī)療器械在各種溫度下可能會出現(xiàn)各種問題，高低溫老化箱能夠?qū)︶t(yī)療器械進行嚴格的質(zhì)量控制和檢測，確保產(chǎn)品的可靠性。

    三、高低溫老化箱的選型技巧

    明確需求：在選擇高低溫老化箱時，首先要明確自己的需求。用戶需要根據(jù)自己的產(chǎn)品特點和測試要求，確定所需設備的溫度范圍、濕度控制精度以及測試時間等方面的參數(shù)。

    考慮設備尺寸：高低溫老化箱的尺寸因應用場景和測試需求而異。用戶需要根據(jù)自己的生產(chǎn)規(guī)模和測試需求，選擇合適大小的設備。

    關注設備品質(zhì)：在選擇高低溫老化箱時，品質(zhì)是關鍵。用戶應選擇具有良好口碑和穩(wěn)定性能的設備，同時要關注設備的材料質(zhì)量、保溫性能以及控制系統(tǒng)等方面的表現(xiàn)。

    考慮售后服務：完善的售后服務是保證設備穩(wěn)定運行的重要保障。用戶在選擇高低溫老化箱時，應選擇能夠提供完善售后服務的廠家，以便在使用過程中得到及時的技術支持和維修保養(yǎng)。

    總之，高低溫老化箱作為工業(yè)品質(zhì)的守護神，在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。用戶在選擇這款設備時，應從需求、設備尺寸、品質(zhì)以及售后服務等方面進行全面考慮，確保選擇到適合自己生產(chǎn)需求的優(yōu)質(zhì)高低溫老化箱。

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上海簡戶儀器設備有限公司是一家高科技合資企業(yè),生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機、冷熱沖擊機、振動試驗機、機械沖擊機、跌落試驗機的環(huán)境試驗儀器的公司，研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗設備。經(jīng)驗豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持。自公司成立以來,多次服務于國內(nèi)外大學和研究所等檢測機構,如清華大學、蘇州大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京工業(yè)大學、法國申美檢測、中科院物理所、中科院，SGS等**單位提供實施室方案和設備及其相關服務。努力開發(fā)半導體、光電、光通訊、航天太空、生物科技、食品、化工、制藥等行業(yè)產(chǎn)品所需的測試設備裝置。公司擁有一支的研發(fā)、生產(chǎn)和售後隊伍，從產(chǎn)品的研發(fā)到售后服務，每一個環(huán)節(jié)都以客戶的觀點與需求作為思考的出發(fā)點。

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  為適應市場快速變化及客戶多樣化的要求，上海簡戶儀器設備有限公司研發(fā)了性能與可靠性**JianHuTest產(chǎn)品系列.從精密零件到電腦資訊系統(tǒng)及有線無線通訊產(chǎn)業(yè)，均可提供高品質(zhì)的設備與完善的售后服務。

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• 簡戶擁有一支的研發(fā)、生產(chǎn)和售后服務隊伍，從產(chǎn)品的研發(fā)到售后服務，每一個環(huán)節(jié)都以客戶的觀點與需求作為思考的出發(fā)點，目前擁有博士學位2人，碩士5人，參與環(huán)境試驗箱國家標準起草和發(fā)行。企業(yè)制定標準，行業(yè)里通過ISO9001。是中國儀器儀表學會會員和理事單位。曾榮獲CCTV《中國儀器儀表20強品牌》殊榮，2010年入駐上海世博會民企館。簡戶自創(chuàng)辦以來，參與3項國家標準起草與制定，獲得40+件原創(chuàng)知識產(chǎn)權、軟著、集成電路)，6次獲得上海科技型中小企業(yè)稱號，合作過3200+家合作客戶(其中世界500強高校600家)。
  

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