Die Alterung von Gummi-Polymer-Werkstoffen ist in der Regel untrennbar mit der Alterungsprüfkammer verbunden.Ozon-Alterungstestkammerist ein unverzichtbares Testgerät für Gummimaterialien. Die Ozon-Alterungstestkammer kann die Zuverlässigkeit von Gummiprodukten ermitteln, ihre Mängel erkennen und dann die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte verbessern und steigern, wodurch Unternehmen Kosten kontrollieren und Gewinne steigern können.
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Zu den Polymermaterialien zählen Kunststoffe, Gummi, Fasern, Folien, Klebstoffe und Beschichtungen. Aufgrund ihrer vielen potenziellen Eigenschaften, die herkömmlichen Strukturmaterialien überlegen sind, werden sie zunehmend im militärischen und zivilen Bereich eingesetzt. Polymermaterialien sind leicht, hochfest, korrosionsbeständig und haben gute Schutzeigenschaften. Sie werden häufig in der Luftfahrt, im Automobilbau, auf Schiffen, in der Infrastruktur, in militärischen Produkten und anderen Bereichen eingesetzt.
Während der Verarbeitung, Lagerung und Verwendung unterliegen die chemische Zusammensetzung und Struktur von Polymermaterialien jedoch aufgrund der kombinierten Auswirkungen interner und externer Faktoren wie Licht, Wärme, Sauerstoff, Wasser, energiereicher Strahlung, chemischer und biologischer Erosion einer Reihe von Veränderungen, und die physikalischen Eigenschaften verschlechtern sich entsprechend, wie z. B. Verhärtung, Klebrigkeit, Sprödigkeit, Verfärbung, Festigkeitsverlust usw. Dieses Phänomen wird als Alterung von Polymermaterialien bezeichnet. Das Wesen der Alterung von Polymermaterialien bezieht sich auf die Veränderungen der physikalischen oder chemischen Struktur, die sich in einem allmählichen Rückgang der Leistung des Materials und dem Verlust seines angemessenen Gebrauchswerts äußern.
Die Alterung und das Versagen von Polymermaterialien sind zu einem der Hauptprobleme geworden, die die weitere Entwicklung und Anwendung von Polymermaterialien einschränken.
Alterungsphänomen
Aufgrund unterschiedlicher Polymerarten und unterschiedlicher Nutzungsbedingungen gibt es unterschiedliche Alterungserscheinungen und -eigenschaften. Beispielsweise ändert sich die Farbe von landwirtschaftlichen Kunststofffolien, wird spröde und verliert an Transparenz, wenn sie der Sonne und dem Regen ausgesetzt sind; Luftfahrt-Plexiglas entwickelt silberne Streifen und verliert an Transparenz nach längerem Gebrauch; Gummiprodukte verlieren nach längerem Gebrauch an Elastizität, härten aus, reißen oder werden weich und klebrig; Farbe verliert nach längerem Gebrauch an Glanz, pulverisiert, bildet Blasen und blättert ab. Das Alterungsphänomen kann in den folgenden vier Veränderungen zusammengefasst werden:
1. Veränderungen im Aussehen
Flecken, Punkte, silberne Streifen, Risse, Frost, Pulverisierung, Klebrigkeit, Verformungen, Fischaugen, Falten, Schrumpfung, Versengen, optische Verzerrungen und optische Farbveränderungen.
2. Änderungen der physikalischen Eigenschaften
Einschließlich Änderungen der Löslichkeit, Quellung, rheologischen Eigenschaften sowie Kältebeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Wasserdurchlässigkeit und Luftdurchlässigkeit.
3. Änderungen der mechanischen Eigenschaften
Änderungen von Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Scherfestigkeit, Schlagfestigkeit, relative Dehnung und Spannungsrelaxation.
4. Änderungen der elektrischen Eigenschaften
Wie etwa Änderungen des Oberflächenwiderstands, des Volumenwiderstands, der Dielektrizitätskonstante und der elektrischen Durchschlagsfestigkeit.
Alterungsfaktoren
Die physikalischen Eigenschaften von Polymermaterialien hängen eng mit ihrer chemischen Struktur und Aggregatstruktur zusammen. Die chemische Struktur ist eine lange Kettenstruktur von Makromolekülen, die durch kovalente Bindungen verbunden sind, und die Aggregatstruktur ist eine räumliche Struktur, in der viele Makromoleküle durch molekulare Kräfte angeordnet und gestapelt sind, beispielsweise kristallin, amorph und kristallin-amorph.
Zu den intermolekularen Kräften, die die Aggregatstruktur aufrechterhalten, gehören Ionenbindungskräfte, Metallbindungskräfte, kovalente Bindungskräfte und Van-der-Waals-Kräfte. Umweltfaktoren können Veränderungen der intermolekularen Kräfte, sogar Kettenbrüche oder das Ablösen bestimmter Gruppen verursachen, was letztendlich die Aggregatstruktur des Materials zerstört und die physikalischen Eigenschaften des Materials verändert. Normalerweise gibt es zwei Faktoren, die die Alterung von Polymermaterialien beeinflussen: interne und externe Faktoren.
Interne Faktoren
1. Chemische Struktur von Polymeren
Die Alterung von Polymeren hängt eng mit ihrer eigenen chemischen Struktur zusammen. Die schwachen Bindungsteile der chemischen Struktur werden leicht durch äußere Einflüsse beeinflusst und brechen auf, wobei freie Radikale entstehen. Dieses freie Radikal ist der Ausgangspunkt für die Einleitung von Radikalreaktionen.
2. Physische Form
Einige der Molekülbindungen von Polymeren sind geordnet angeordnet, während andere ungeordnet sind. Ordentlich angeordnete Molekülbindungen können kristalline Bereiche bilden, und ungeordnet angeordnete Molekülbindungen sind amorphe Bereiche. Die Morphologie vieler Polymere ist nicht einheitlich, sondern halbkristallin, mit sowohl kristallinen als auch amorphen Bereichen. Die Alterungsreaktion beginnt im amorphen Bereich.
3. Stereoskopische Regelmäßigkeit
Die stereoskopische Regelmäßigkeit eines Polymers hängt eng mit seiner Kristallinität zusammen. Im Allgemeinen sind regelmäßige Polymere alterungsbeständiger als zufällige Polymere.
4. Molekulargewicht und seine allgemeine Verteilung
Das Molekulargewicht eines Polymers hat wenig mit der Alterung zu tun, aber die Verteilung des Molekulargewichts hat einen großen Einfluss auf die Alterungsleistung des Polymers. Je breiter die Verteilung, desto leichter altert es, denn je breiter die Verteilung, desto mehr Endgruppen gibt es und desto leichter können Alterungsreaktionen auftreten.
5. Spurenmetallverunreinigungen und andere Verunreinigungen
Bei der Verarbeitung von Polymeren kommen diese mit Metallen in Kontakt. Dabei können Spurenmetalle eingemischt werden oder es können während der Polymerisation Metallkatalysatoren verbleiben, die die Autoxidation (also die Alterung) auslösen.
Externe Faktoren
1. Der Einfluss der Temperatur
Mit steigender Temperatur intensiviert sich die Bewegung der Polymerketten. Sobald die Dissoziationsenergie chemischer Bindungen überschritten wird, kommt es zum thermischen Abbau der Polymerketten oder zur Gruppenablösung. Derzeit gibt es zahlreiche Literaturberichte über den thermischen Abbau von Polymermaterialien; wenn die Temperatur sinkt, werden die mechanischen Eigenschaften des Materials häufig beeinträchtigt. Die kritischen Temperaturpunkte, die eng mit den mechanischen Eigenschaften zusammenhängen, umfassen die Glasübergangstemperatur T, die viskose Fließtemperatur Tf und den Schmelzpunkt Tm. Der physikalische Zustand des Materials kann in Glaszustand, hochelastischen Zustand und viskosen Fließzustand unterteilt werden.
2. Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit
Der Einfluss von Feuchtigkeit auf Polymermaterialien kann auf das Aufquellen und Auflösen von Wasser im Material zurückgeführt werden, wodurch die intermolekularen Kräfte, die die Aggregatstruktur des Polymermaterials aufrechterhalten, verändert werden und dadurch der Aggregatzustand des Materials zerstört wird. Insbesondere bei nicht vernetzten amorphen Polymeren ist der Einfluss von Feuchtigkeit äußerst offensichtlich, was dazu führt, dass das Polymermaterial im Aggregatzustand aufquillt oder sogar zerfällt, wodurch die Leistung des Materials beeinträchtigt wird; bei kristallinen Kunststoffen oder Fasern ist der Einfluss von Feuchtigkeit aufgrund der vorhandenen Wasserdurchdringungsbeschränkungen nicht sehr offensichtlich.
3. Der Einfluss von Sauerstoff
Sauerstoff ist die Hauptursache für die Alterung von Polymermaterialien. Aufgrund der Sauerstoffdurchlässigkeit sind kristalline Polymere oxidationsbeständiger als amorphe Polymere. Sauerstoff greift zunächst die schwachen Glieder der Hauptkette von Polymeren an, wie Doppelbindungen, Hydroxylgruppen, Wasserstoffgruppen oder Atome an tertiären Kohlenstoffatomen, und bildet Polymerperoxylradikale oder Peroxide. Anschließend bricht die Hauptkette an dieser Stelle. In schweren Fällen nimmt das Molekulargewicht des Polymers erheblich ab, die Glasübergangstemperatur sinkt und das Polymer wird klebrig. In Gegenwart bestimmter Initiatoren oder Übergangsmetallelemente, die leicht in freie Radikale zerfallen, besteht die Tendenz, die Oxidationsreaktion zu verstärken.
4. Lichtalterung
Ob das Polymer Licht ausgesetzt wird und die Molekülkette aufbricht, hängt von der relativen Größe der Lichtenergie und der Dissoziationsenergie sowie der Empfindlichkeit der chemischen Struktur des Polymers gegenüber Lichtwellen ab. Aufgrund der Ozonschicht und der Atmosphäre auf der Erdoberfläche liegt der Wellenlängenbereich des Sonnenlichts, das den Boden erreichen kann, zwischen 290 nm und 4300 nm. Nur die Lichtwellen im ultravioletten Bereich haben eine Lichtwellenenergie, die größer ist als die Dissoziationsenergie der chemischen Bindung, wodurch die chemischen Bindungen der Polymere aufgebrochen werden.
Beispielsweise können Ultraviolettwellenlängen von 300 nm bis 400 nm von Polymeren mit Carbonylgruppen und Doppelbindungen absorbiert werden, was zum Aufbrechen makromolekularer Ketten, zu chemischen Strukturveränderungen und zu einer Verschlechterung der Materialeigenschaften führt. Polyethylenterephthalat hat eine starke Absorption von Ultraviolettstrahlen bei 280 nm und die Abbauprodukte sind hauptsächlich CO, H und CH. Polyolefine, die nur CC-Bindungen enthalten, absorbieren keine Ultraviolettstrahlen, können aber in Gegenwart kleiner Mengen von Verunreinigungen wie Carbonylgruppen, ungesättigten Bindungen, Hydroperoxidgruppen, Katalysatorrückständen, aromatischen Kohlenwasserstoffen und Übergangsmetallelementen die Photooxidationsreaktion von Polyolefinen fördern.
5. Einfluss chemischer Medien
Chemische Medien können nur dann eine Rolle spielen, wenn sie in das Innere von Polymermaterialien eindringen. Zu diesen Effekten gehören kovalente Bindungen und sekundäre Bindungen. Die Wirkung kovalenter Bindungen äußert sich als Kettenspaltung, Vernetzung, Addition oder eine Kombination dieser Effekte von Polymerketten. Dies ist ein irreversibler chemischer Prozess; obwohl die Zerstörung sekundärer Bindungen durch chemische Medien keine Änderungen der chemischen Struktur verursacht, ändert sich die Aggregatstruktur des Materials, was entsprechende Änderungen seiner physikalischen Eigenschaften zur Folge hat.
Physikalische Veränderungen wie umweltbedingte Spannungsrisse, Lösungsrisse und Plastifizierung sind typische Erscheinungsformen der chemischen Medienalterung von Polymermaterialien.
Die Lösungsrisse lassen sich vermeiden, indem man die innere Spannung des Materials beseitigt. Das Glühen nach der Materialformung trägt dazu bei, die innere Spannung des Materials zu beseitigen. Plastifizierung findet statt, wenn das flüssige Medium in ständigem Kontakt mit dem Polymermaterial steht. Die Wechselwirkung zwischen dem Polymer und dem Medium mit kleinen Molekülen ersetzt teilweise die Wechselwirkung zwischen den Polymeren, wodurch die Polymerkettensegmente leichter beweglich werden, was sich in einer Abnahme der Glasübergangstemperatur, einer Abnahme der Festigkeit, Härte und des Elastizitätsmoduls des Materials sowie einer Zunahme der Bruchdehnung äußert.
6. Biologisches Altern
Da bei der Verarbeitung von Kunststoffprodukten fast immer verschiedene Zusatzstoffe verwendet werden, werden sie häufig zu einer Nahrungsquelle für Schimmel. Wenn Schimmel wächst, absorbiert er Nährstoffe an der Oberfläche und im Inneren des Kunststoffs und wird zu Myzel, das auch ein Leiter ist, wodurch die Isolierung des Kunststoffs verringert wird, sein Gewicht verändert wird und er sich in schweren Fällen ablöst. Die Metaboliten des Schimmelwachstums enthalten organische Säuren und Toxine, die die Oberfläche des Kunststoffs klebrig, verfärbt und spröde machen und die Glätte verringern. Außerdem können Menschen, die über einen längeren Zeitraum mit solchen schimmeligen Kunststoffen in Kontakt kommen, Krankheiten bekommen.
Polysaccharid-Naturpolymere und ihre modifizierten Verbindungen können durch Mischen und Modifizieren mit herkömmlichen Kunststoffen zu abbaubaren Einwegfolien, -platten, -behältern, Schaumprodukten usw. verarbeitet werden. Ihre Abfälle können durch das Eingreifen von Polysaccharid-Naturpolymer-Zersetzungsenzymen wie Amylase, die in der natürlichen Umwelt weit verbreitet sind, allmählich in kleine Molekülverbindungen hydrolysiert und schließlich in schadstofffreies Kohlendioxid und Wasser zersetzt werden, wodurch sie in die Biosphäre zurückkehren. Aufgrund dieser Vorteile sind Polysaccharid-Naturpolymerverbindungen, die durch Stärke repräsentiert werden, nach wie vor ein wichtiger Bestandteil abbaubarer Kunststoffe.
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