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1、塑料人工加速老化试验方法及老化失效分析22结构强度研究2009年第2期塑料人工加速老化试验方法及老化失效分析张亚娟蒋军亮李喜明(中航工业飞机强度研究所四室,西安)摘要:主要分析了塑料材料的老化机理,介绍了塑料材料的几种人工加速老化试验方法.分析研究了塑料及其制品的使用,贮存寿命及人工加速老化与tl然老化的相关性,研究分析了依据塑料材料的多项力学性能变化来判断其老化失效的可行性.关键词:塑料材料;人工加速老化试验;使用寿命;储存寿命;老化失效塑料是随着石油化学工业的发展而崛起的一种新型材料,由于其性能优异,经济价值很高,应用的领域日益扩大,已成为机械,电子,汽车,建筑,包装,航空,
2、航天等诸多领域不可缺少的重要材料.但塑料材料最大的缺点是耐老化性能差,因而塑料材料的老化问题已引起人们的广泛关注.自然大气老化试验是制定合理的人工加速老化试验方法的依据,但其重复性差,需时长久,难以适应工业迅速发展的需要.因此,采用人工加速老化试验,以期在较短的时间内预测大气老化结果具有重大的研究价值.塑料材料的老化机理塑料材料老化有两方面的原因,一个是内因,一个是外因,内因主要是高聚物本身分子结构上存在一些弱键.例如,聚丙烯结构中,叔碳原子极不稳定,当受到光照以后,特别是紫外光,键就会断裂,发生老化现象.再就是在加工过程中引起一些新的弱点并存在其它微量杂质.外因主要有太阳光,氧
3、,臭氧,热,水分,微生物的影响等等.太阳光是塑料大气老化的最主要因素,太阳光的短波紫外线对塑料材料的破坏最为巨大.下面叙述两类主要老化反应的机理.1.1热氧化Bolland和Gee根据对烯烃和橡胶热氧化研究而提出的氧化机理成功地用于很多有机高分子收稿Ft期:2009—01—13的热氧化之中.如图1所示.^链引发PH__=P+H一^PH+O2jP+HO2^残留催化剂__=自由基^链增长P+O2__=PO:P02+PH—-÷PooH+P^链支化P0OH—_==P0+H0^POOH+PHPO+P+H2O^2POOHP0+POO+H2OPO+PH—POH+P链终止H0+PH—H.O+P2
4、PO2一POOP+O22PO2—一P0+PO+O22PO一非反应性产物P+PO2一POOP2P—P—P图1高分子热氧化图示1.2塑料光降解机理聚合物暴露在日光下,其吸收光的基团受到激发而生成自由基.若有氧存在,聚合物同时也被氧化(光氧化).而且热氧化过程可能与光氧化过程叠加,可看作光热氧化过程.不同分子结构的高分子材料对紫外光的吸收是有选择的,这称为材料的光敏性,即材料不同各2009年第2期张亚娟:塑料人工加速老化试验方法及老化失效分析种波长对它们的破坏也有差异,最易使高分子材料分子键断裂的波长是敏感波长,一般高分子的敏感波长在紫外线段(例如PE,PP的敏感波长是300nm),受
5、紫外光照,吸收能量发生分子键断裂,由此产生整个结构的变化,导致强度的降低.此外太阳光中的红外光对高分子材料亦起重要的影响,因为材料吸收红外光后会转变为热能,热能也加速材料的老化,可见光在一定条件下也对高聚物性能有影响,如塑料含有颜色时受热逐渐退色.2塑料人工加速老化试验人工加速老化试验就是用人工的方法,模拟近似于大气环境条件或某种特定的条件,并强化某种因素,以期在较短的时间内就能获得试验结果.为验证试验结果的可靠性,采用自然老化试验与人工加速试验进行对比研究[2].塑料人工加速老化试验通常有:人工气候试验,热老化试验,臭氧老化试验,湿热老化试验,盐雾腐蚀试验以及抗霉试验等等[2]
6、.根据塑料材料的实际使用情况,着重研究塑料的以下几种人工加速老化试验.2.1人工气候老化试验用人工的方法,模拟和强化在自然气候中受到的光,热,氧,湿气,降雨为主要老化破坏的环境因素,试验中也要根据材料本身的结构特点及制品具体的使用环境,强化某些老化因素.例如大多数塑料的光氧老化较突出.2.1.1人工气候老化试验标准人工气候老化试验系指实验室模拟自然气候用人工气候箱进行的老化试验,使用的是人造光源,目前国际标准化组织规定用于塑料的人造光源有氤弧灯,碳弧灯和荧光紫外灯.具体的试验标准如下表所示.表1塑料人工气候老化标准妇以上标准中的3种光源经选择合适的滤光器,过滤掉大多数短波辐射后,
7、可模拟自然阳光,其中以氙灯辐射经过滤后的光谱能量分布最接近阳光的紫外和可见光部分.该系列标准还规定了加湿和对试样表面喷水或凝露的润湿装置,以模拟自然气候下的老化.除上述标准外,我国还制定有GB/T14522—93《机械工业产品用塑料,涂料,橡胶材料人工气候加速试验方法》,规定了模拟户外湿热大气中主要因素的两种人工气候加速试验方法.2.1.2人工加速老化试验条件设置a)设备采用美国ATLAS公司生产的UC一1紫外荧光型老化试验机.光照时,黑板温度为63士3℃,温度不控制;黑暗时;黑
