أنواع الشيخوخة واختبارات الشيخوخة وطرق مكافحة الشيخوخة للمواد البوليمرية.

أنواع التقادم واختبارات التقادم وطرق مكافحة تقادم المواد البوليمرية
01 الوضع الحالي لتطوير مواد البوليمر
تستخدم مواد البوليمر، بسبب خصائصها الممتازة مثل الوزن الخفيف والقوة العالية ومقاومة درجات الحرارة ومقاومة التآكل، على نطاق واسع الآن في العديد من المجالات مثل التصنيع المتطور والمعلومات الإلكترونية والنقل والحفاظ على طاقة البناء والفضاء والصناعة الوطنية. الصناعات الدفاعية والعسكرية. لعبت دورا كبيرا.
إنها ليست صناعة أساسية مهمة للاقتصاد الوطني فحسب، بل إنها أيضًا صناعة رائدة في البلاد؛
وهي ليست مجرد صناعة استراتيجية ناشئة في صناعة البتروكيماويات، ولكنها أيضًا مادة داعمة مهمة للصناعات الاستراتيجية الناشئة مثل المعلومات الإلكترونية، والفضاء، والدفاع الوطني، والطاقة الجديدة؛
فهي لا تتمتع بمحتوى تكنولوجي عالي وقيمة مضافة عالية فحسب، بل إنها أيضًا اتجاه مهم لتحويل وتحديث صناعة البتروكيماويات.
لذلك، كانت مواد البوليمر دائمًا مجالًا للتنمية توليه الدول المتقدمة والشركات متعددة الجنسيات أهمية كبيرة. وهذا لا يوفر مساحة سوقية واسعة لصناعة مواد البوليمر الجديدة فحسب، بل يضع أيضًا متطلبات أعلى لأداء الجودة ومستوى الموثوقية وقدرات الدعم.
ولذلك، فإن كيفية تعظيم وظائف منتجات مادة البوليمر على أساس مبادئ الحفاظ على الطاقة، وانخفاض الكربون والتنمية البيئية قد اجتذبت المزيد والمزيد من الاهتمام. تعد الشيخوخة عاملاً مهمًا يؤثر على موثوقية ومتانة مواد البوليمر.

02 أنواع تقادم المواد البوليمرية
أثناء معالجة وتخزين واستخدام مواد البوليمر، بسبب التأثيرات المجتمعة للعوامل الداخلية والخارجية، تتدهور خصائصها تدريجياً وتفقد قيمتها الاستخدامية في النهاية. تنتمي هذه الظاهرة إلى شيخوخة مواد البوليمر.
ولا يؤدي هذا إلى إهدار الموارد فحسب، بل قد يؤدي أيضًا إلى حوادث أكبر بسبب الفشل الوظيفي، كما أن تحلل المواد الناتج عن الشيخوخة قد يؤدي أيضًا إلى تلويث البيئة.
نظرًا لاختلاف أنواع البوليمرات وظروف الاستخدام المختلفة، فإن لها ظواهر وخصائص مختلفة للشيخوخة. بشكل عام، يمكن تصنيف عمر مواد البوليمر إلى أربعة أنواع من التغييرات التالية:
1. التغيرات في المظهر
ظهور بقع، بقع، خطوط، شقوق، ازهار، طباشير، لزوجة، تزييف، عيون السمكة، تجعد، انكماش، حرقة، تشويه بصري، وتغيرات في اللون البصري.
2. التغيرات في الخصائص الفيزيائية
بما في ذلك التغيرات في الذوبان، والتورم، والخصائص الريولوجية، ومقاومة البرد، ومقاومة الحرارة، ونفاذية الماء، ونفاذية الهواء وغيرها من الخصائص.
3. التغيرات في الخواص الميكانيكية
التغيرات في قوة الشد، قوة الانثناء، قوة القص، قوة التأثير، الاستطالة النسبية، استرخاء الإجهاد وغيرها من الخصائص.
4. التغيرات في الخواص الكهربائية
مثل التغيرات في مقاومة السطح، ومقاومة الحجم، وثابت العزل الكهربائي، وقوة الانهيار الكهربائي، وما إلى ذلك.

03 العوامل المسببة لشيخوخة مواد البوليمر
1. التحليل الكلي
لأنه أثناء معالجة واستخدام البوليمرات، فإنها ستخضع للتأثيرات المجتمعة للعوامل البيئية مثل الحرارة والأكسجين والماء والضوء والكائنات الحية الدقيقة والوسائط الكيميائية. سيخضع تركيبها الكيميائي وبنيتها لسلسلة من التغييرات، وستتغير خواصها الفيزيائية أيضًا وفقًا لذلك. التدهور، مثل الصلابة، واللزوجة، والهشاشة، وتغير اللون، وفقدان القوة، وما إلى ذلك. وتسمى هذه التغييرات والظواهر بالشيخوخة.
2. التحليل المجهري
ستشكل البوليمرات الجزيئية العالية جزيئات حالة مثارة تحت تأثير الحرارة أو الضوء. عندما تكون الطاقة عالية بما فيه الكفاية، فإن السلاسل الجزيئية سوف تنكسر لتشكل جذور حرة. يمكن للجذور الحرة أن تشكل تفاعلات متسلسلة داخل البوليمر، وتستمر في التسبب في التحلل، وقد تسبب الارتباط المتبادل.
في حالة وجود الأكسجين أو الأوزون في البيئة، سيتم تحفيز سلسلة من تفاعلات الأكسدة لتكوين هيدرو بيروكسيدات (ROOH)، والتي سوف تتحلل بشكل أكبر إلى مجموعات كربونيل.
إذا كانت هناك أيونات معدنية محفزة متبقية في البوليمر، أو تم إدخال أيونات معدنية مثل النحاس والحديد والمنغنيز والكوبالت وما إلى ذلك أثناء المعالجة والاستخدام، فسيتم تسريع تفاعل التحلل التأكسدي للبوليمر.

04 اختبار الشيخوخة
في تطوير أو تحسين مواد جديدة، من أجل التحقق من مدة خدمتها أو تأثيرها المضاد للشيخوخة، يلزم إجراء اختبار التقادم. تشمل اختبارات الشيخوخة الشائعة الشيخوخة الطبيعية والشيخوخة المتسارعة في المختبر.
1. الشيخوخة الطبيعية
التعتيق الطبيعي هو تعريض عينة المادة مباشرة للبيئة الطبيعية. عادة يتم تثبيت العينة على رف التعريض بزاوية معينة. زوايا التعرض الشائعة هي 5 درجة، 45 درجة، و90 درجة. وتشمل معايير الاختبار ذات الصلة ISO 877 للبلاستيك - طرق التعرض للإشعاع الشمسي؛ ISO2810 الدهانات والورنيشات - التجوية الطبيعية للطلاءات - التعرض والتقييم؛ الممارسة القياسية ASTMG7 لاختبار التعرض البيئي للمواد غير المعدنية، وما إلى ذلك.
طريقة اختبار العمر الطبيعي بسيطة ومنخفضة التكلفة، ولكن دورة الاختبار الخاصة بها طويلة جدًا، مما يؤثر على التقدم الأمثل لتصميم المنتج. علاوة على ذلك، نظرًا لأنها بيئة طبيعية ولا يمكن التحكم في الظروف المناخية، فمن أجل ضمان استنساخ نتائج الاختبار، فإن اختيار موقع الاختبار له أهمية خاصة. أنشأت الولايات المتحدة حقل مناخ طبيعي في جنوب فلوريدا في عام 1931، وهو حقل قياسي للتعرض للمناخ الحار والرطب في الولايات المتحدة. يعد موقع الاختبار الذي تم إنشاؤه في وسط ولاية أريزونا موقعًا قياسيًا للتعرض للحرارة الجافة. يعد موقع اختبار التعرض لتوربان التابع للمركز الوطني لمراقبة جودة منتجات السيارات وفحصها في بلدي أيضًا موقعًا نموذجيًا للتعرض للمناخ الجاف والحار. درجة الحرارة القصوى في منطقة توربان من مايو إلى أغسطس تزيد عن 40 درجة، ودرجة الحرارة القصوى القصوى 49.6 درجة، ويبلغ متوسط ​​هطول الأمطار السنوي 8 ملم فقط. يتمتع حقل التعرض في تشيونغهاي، هاينان بظروف مناخية حارة ورطبة نموذجية. يبلغ متوسط ​​درجة الحرارة السنوية 27.4 درجة، ويصل متوسط ​​هطول الأمطار السنوي إلى 2134 ملم.

2. تسارع الشيخوخة في المختبر
من أجل تسريع دورة الاختبار والحصول على بيانات الشيخوخة بشكل أسرع، يستخدم المختبر عادة مصادر الضوء الاصطناعي لمحاكاة الإشعاع الشمسي، ومطابقة درجات الحرارة والرطوبة وظروف المطر المختلفة، وما إلى ذلك، ويمكنه محاكاة المناخات الطبيعية المختلفة.
1) اختيار مصدر الضوء
تشمل مصادر الضوء الاصطناعية شائعة الاستخدام مصابيح قوس زينون ومصابيح الهاليد المعدنية ومصابيح الفلورسنت فوق البنفسجية. يمكن لمصابيح الفلورسنت فوق البنفسجية أن تحاكي ضوء الشمس بشكل جيد للغاية في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية ذات الموجة المتوسطة والأشعة فوق البنفسجية ذات الموجة القصيرة. يمكن لمصابيح زينون القوسية ومصابيح الهاليد المعدنية محاكاة ضوء الشمس جيدًا في الطيف الكامل. ولذلك، فإن غرف الاختبار التي تستخدم مصابيح زينون ومصابيح الهاليد المعدنية كمصادر للضوء يمكنها محاكاة إشعاع ضوء الشمس بشكل جيد، في حين أن غرف الاختبار التي تستخدم مصابيح الفلورسنت فوق البنفسجية ليس المقصود منها تقليد ضوء الشمس، ولكن فقط محاكاة تأثير شيخوخة ضوء الشمس. بالإضافة إلى ذلك، هناك صناديق قديمة في السوق تستخدم مصابيح قوس الكربون كمصدر للضوء. ومع ذلك، فإن طيف قوس الكربون ليس له علاقة جيدة بطيف ضوء الشمس، واستخدام اختبار مصباح قوس الكربون يرجع إلى أسباب تاريخية.
2) أهمية الشيخوخة المتسارعة
يشير الارتباط إلى درجة الاتساق بين نتائج التعتيق المتسارعة في المختبر ونتائج التعتيق للمادة في بيئة الاستخدام الفعلي. فقط عندما يكون اختبار التقادم المتسارع ذا صلة، فإنه يمكن أن يعكس حقًا مقاومة المواد للعوامل الجوية ويتنبأ حقًا بعمر خدمة المادة. سيؤدي الاختبار المتسارع غير المعقول إلى تقليل أهمية الاختبار بل ويفقد معناه.
3) اتجاه تطور الشيخوخة المتسارعة في المختبرات
كما ذكرنا في البداية، فإن العوامل المؤثرة في شيخوخة المواد تشمل الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة والماء وعوامل أخرى. إن تقادم المواد هو نتيجة للعمل المشترك لهذه العوامل، ولكنه ليس مجرد تراكب بسيط لتأثيرات العوامل المختلفة. ويتعين أيضا النظر في التآزر بينهما. ولذلك، فإن المحاكاة الأكثر شمولاً لبيئة الاستخدام الفعلي للمادة يمكن أن تؤدي إلى نتائج أفضل ذات صلة. على سبيل المثال، وفقًا لمعيار ISO 20340، يعتمد الاختبار على دورة مدتها 7 أيام. في اليوم الأول إلى الثالث، يتم إجراء اختبار الأشعة فوق البنفسجية مع دورة الضوء والظلام وفقًا للمواصفة ISO 11507. في اليوم الرابع إلى السادس، يتم إجراء اختبار رش الملح وفقًا للمواصفة ISO 9227. في اليوم السابع ({{9}) } اختبار درجة الحرارة المنخفضة ±2) درجة . بالمقارنة مع اختبار مقاومة الطقس التقليدي، فهو يدمج المزيد من العوامل المؤثرة على التقادم وهو أكثر توافقًا مع ظروف الاستخدام الفعلية للمادة، لذلك يمكن أن يعكس بشكل أفضل التقادم الفعلي للمادة. نحن نعلم أن العفن، وتركيز الأوزون، وما إلى ذلك، كلها لها تأثير مهم على عمر المنتجات البلاستيكية. ستكون كيفية دمج المزيد من عوامل الشيخوخة في الاختبار أحد اتجاهات تطوير الشيخوخة المتسارعة في المختبرات.

05 طرق مقاومة شيخوخة المواد البوليمرية
في الوقت الحاضر، تشمل الطرق الرئيسية لتحسين وتعزيز خصائص مقاومة الشيخوخة لمواد البوليمر ما يلي:
1. الحماية المادية (مثل السماكة، الطلاء، تركيب الطبقة الخارجية، إلخ.)
تبدأ شيخوخة مواد البوليمر، وخاصة شيخوخة الأكسجين الضوئي، أولاً من سطح المادة أو المنتج، وتظهر على شكل تغير اللون، والمسحوق، والتكسير، وفقدان اللمعان، وما إلى ذلك، ثم تتغلغل تدريجيًا بشكل أعمق في الداخل. من المرجح أن تفشل المنتجات الرقيقة قبل الأوان أكثر من المنتجات السميكة، لذلك يمكن إطالة عمر خدمة المنتج عن طريق زيادة سماكة المنتج. بالنسبة للمنتجات المعرضة للشيخوخة، يمكنك وضع طبقة طلاء ذات مقاومة جيدة للطقس على السطح، أو تركيب طبقة من المواد ذات مقاومة جيدة للطقس على الطبقة الخارجية للمنتج لربط طبقة واقية على سطح المنتج. منتج. إبطاء عملية الشيخوخة.

2. تحسين تكنولوجيا المعالجة
تعاني العديد من المواد أيضًا من مشاكل الشيخوخة أثناء عملية التوليف أو التحضير. على سبيل المثال، تأثير الحرارة أثناء البلمرة، وتقادم الأكسجين الحراري أثناء المعالجة، وما إلى ذلك. وفي المقابل، يمكن تخفيف تأثير الأكسجين عن طريق إضافة جهاز إزالة الأكسجين أو جهاز تفريغ أثناء البلمرة أو المعالجة. ومع ذلك، لا يمكن لهذه الطريقة أن تضمن أداء المادة إلا عندما تخرج من المصنع، ولا يمكن تنفيذ هذه الطريقة إلا من مصدر تحضير المادة، ولا يمكنها حل مشكلة التقادم أثناء إعادة معالجتها واستخدامها.

3. التصميم الهيكلي أو التعديل للمواد البوليمرية
تحتوي العديد من مواد البوليمر على مجموعات معرضة جدًا للشيخوخة في بنيتها الجزيئية. ولذلك، من خلال تصميم البنية الجزيئية للمادة، فإن استبدال المجموعات المعرضة للشيخوخة بمجموعات غير عرضة للشيخوخة يمكن أن يحقق نتائج جيدة في كثير من الأحيان. أو يمكن إدخال مجموعات أو هياكل وظيفية ذات تأثيرات مضادة للشيخوخة في سلسلة البوليمر من خلال التطعيم أو البلمرة المشتركة، مما يمنح المادة نفسها وظائف ممتازة لمكافحة الشيخوخة. وهذه أيضًا طريقة يستخدمها الباحثون غالبًا، لكن تكلفتها مرتفعة نسبيًا. لا يمكن تحقيق الإنتاج والتطبيق على نطاق واسع في الوقت الحالي.

4. أضف إضافات مضادة للشيخوخة
في الوقت الحاضر، إحدى الطرق الفعالة والشائعة لتحسين مقاومة الشيخوخة لمواد البوليمر هي إضافة إضافات مضادة للشيخوخة، والتي تستخدم على نطاق واسع بسبب تكلفتها المنخفضة وغياب التغييرات في عمليات الإنتاج الحالية. هناك طريقتان رئيسيتان لإضافة هذه الإضافات المضادة للشيخوخة:
طريقة الإضافة المباشرة للمواد المضافة: أي أن المادة المضافة المضادة للشيخوخة (المسحوق أو السائل) يتم خلطها مباشرة وتقليبها مع المواد الخام مثل الراتنج، ثم يتم بثقها للتحبيب أو القولبة بالحقن، وما إلى ذلك. لأن طريقة الإضافة هذه بسيطة وسهلة للتنفيذ، يتم استخدامه على نطاق واسع من قبل غالبية مصانع التكوير والحقن.
طريقة إضافة الأصبغة الرئيسية المضادة للشيخوخة: غالبًا ما يستخدم المصنعون الذين لديهم متطلبات أعلى لجودة المنتج واستقرار الجودة طريقة إضافة الأصبغة الرئيسية المضادة للشيخوخة أثناء الإنتاج. يتم الحصول على الأصبغة الرئيسية المضادة للشيخوخة باستخدام راتينج مناسب كحامل، ويتم خلطها مع مجموعة متنوعة من الإضافات الفعالة المضادة للشيخوخة، ومن ثم يتم بثقها وتحبيبها بواسطة آلة بثق لولبية مزدوجة. تكمن ميزة تطبيقه في استخدام المواد المضافة المضادة للشيخوخة في عملية تحضير الأصبغة الرئيسية. أولاً، يتم تحقيق التشتت المسبق، وبعد ذلك في عملية معالجة المواد اللاحقة، يتم تشتيت الإضافات المضادة للشيخوخة بشكل ثانوي، مما يحقق غرض التشتت الموحد للمواد المضافة في مصفوفة مادة البوليمر، والذي لا يضمن فقط استقرار جودة المادة المنتج، ولكنه أيضًا يتجنب تلوث الغبار أثناء الإنتاج، مما يجعل الإنتاج أكثر مراعاة للبيئة وصديقًا للبيئة.