CN109540772B - 一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，包括(1)样品的选择；(2)样品的制备；(3)试验站的选择；(4)自然老化试验；(5)数据处理：得出高分子材料样品在不同气候环境老化的拉伸强度保持率随老化时间的关系曲线或者得到高分子材料样品在不同气候环境老化的色差性能增加值随老化时间的关系曲线；(6)试验结果的评定：如果评定气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的老化损伤，则以样品的拉伸强度为关键性能指标做判据；如果评定气候环境对高分子材料色差的老化损伤，则以样品的色差为关键性能指标做判据，通过老化损伤严酷度来评估高分子材料在不同气候环境的老化损伤。

Description

一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法
技术领域
本发明涉及一种气候环境对高分子材料老化损伤的方法，具体是指一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，该方法适用于比较全球典型气候环境对塑料、橡胶和涂料等高分子材料老化损伤。
背景技术
高分子材料包括塑料、橡胶和涂料三大类，广泛应用于机械、航空航天和交通运输等各行各业，随着节能和装备轻量化的发展，“以塑代钢”成为目前材料研究的热门和重点。与金属材料和无机材料相比，高分子材料由于其分子结构存在共价键和长链结构，很容易在自然界中的太阳光、热、水等环境因素作用下发生分子链断裂或交联等分子结构的改变，从而导致性能劣化，产生老化损伤。
影响高分子材料老化的主要气候环境因素为太阳辐射、温度和水。由于受太阳辐射、大气环流、下垫面和人类活动等影响，地球上存在各种各样的气候，不同气候区由于纬度、海拔、地形和地理形特征的不同，太阳辐射量、气温、降雨量和湿度存在显著差异，因而各种气候环境对高分子材料的老化损失存在明显差异，老化速率相差高达几十倍，这就给装备的设计与选材提出难题。为了保证装备在不同环境下安全服役，在产品设计时需要针对关键性能对材料在使用地区的服役寿命做预估。
不同地区的太阳辐照、气温和湿度等单一环境因素的差异，文献已有大量报道，也有学者开展常用高分子材料在不同气候的老化试验，得出材料在不同气候环境的老化行为，但是，由于不同高分子材料的结构、组成和聚集态的不同，不同气候环境对一种高分子材料的老化损伤速率不能简单推广到另一种高分子材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，用于比较全球典型气候环境对塑料、橡胶和涂料等高分子材料老化损伤。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，包括试验实施环节和试验结果评定环节，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)样品的选择；
(2)样品的制备；
(3)试验站的选择；
(4)自然老化试验：在M种不同的典型气候环境下分别建立试验站，M为大于等于1的自然数，开展高分子材料样品的自然老化试验，试验时间至少为1整年，根据高分子材料耐候性强弱，试验时间以1年为单位递增，直至高分子材料样品发生失效为止，试验期间按一定时间间隔取样，测试性能，记录数据，时间间隔为1个月、3个月或6个月，如果不明确失效临界值，以性能下降至初始性能的50％作为失效判据，高分子材料样品朝赤道正南与水平面呈45°放置；
(5)数据处理：如果考察气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的机械性能的老化损伤，则高分子材料的拉伸强度保持率随着老化时间增加而下降，用拉伸强度保持率作为纵坐标，老化时间作为横坐标，在直角坐标系作图，得出高分子材料样品在不同气候环境老化的拉伸强度保持率随老化时间的关系曲线，所述的拉伸强度保持率指材料老化一定时间后的拉伸强度性能值与未老化的拉伸强度初始性能值的比值；如果考察气候环境对高分子材料色差的老化损伤，则高分子材料的色差随老化时间增加而上升，用色差性能增加值作为纵坐标，老化时间作为横坐标，在直角坐标系作图，得到高分子材料样品在不同气候环境老化的色差性能增加值随老化时间的关系曲线；
(6)试验结果的评定：
如果评定气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的老化损伤，则以样品的拉伸强度为关键性能指标做判据，根据步骤(5)所述的拉伸强度保持率与老化时间的关系曲线，读取样品关键性能达到失效临界值所需的老化失效时间；假设样品在步骤(3)所述的比较基准站的老化失效时间为t0，在步骤(4)所选的S1、S2……Sm这M种气候环境下的试验站老化失效时间分别为t1、t2……tm，设比较基准站的气候环境对该样品的老化损伤严酷度系数为1.00，则S1、S2……Sm这M种气候环境对该样品的老化损伤严酷度系数分别为t0/t1、t0/t2……t0/tm，小数点保留2位；
如果评定气候环境对高分子材料色差的老化损伤，则以样品的色差为关键性能指标做判据，根据步骤(5)所述的样品色差性能增加值随老化时间的关系曲线，读取样品在不同气候环境老化1年、2年或其它整数年时的性能增加值；假设样品在步骤(3)所述的比较基准站老化1年后性能增加值为n0，在步骤(4)所选的S1、S2……Sm这M种气候环境下的试验站的老化1年后的色差性能增加值分别为n1、n2……nm，设比较基准站的气候环境对该样品的老化损伤严酷度为1.00，则S1、S2……Sm这M种气候环境对该样品的老化损伤严酷度分别为n1/n0、n2/n0……nm/n0，小数点保留2位；
通过老化损伤严酷度来评估高分子材料在不同气候环境的老化损伤，从而量化比较不同气候环境对高分子材料的老化损伤。老化损伤严酷度越高，老化损伤相对越严重。
本发明的方法可以区分特定高分子材料的各种性能在不同气候环境老化相同时间后的保持率，试验结果有助于掌握不同环境对特定高分子材料老化损伤速率，可为装备针对特定环境服役寿命设计、选材和防护提供依据。根据损伤严酷度可以评估材料在不同气候环境的相对服役寿命，评定结果仅适用于试验样品或与试样样品结构、成分相似材料的特定性能，所谓特定性能是指老化试验所检测的性能。
本发明中，试验样品安放以零部件的安放状态和服役环境而定，必要时施加机械应力、化学介质等。若不做特别要求，样品朝赤道正南与水平面呈45°放置。为了获得较好效果，在北半球进行试验，宜在4月—5月开始，不同试验站的试验从同一天开始；在南半球进行试验，宜在10月—11月开始，不同试验站的试验从同一天开始。其它试验要求符合相关试验标准。
由于同一地点，每年的环境条件各不相同，如果时间允许，选择不同年份重试验，试验结果会更准确。
本发明中，所述步骤(1)的具体过程为：选择产品制造实际采用的高分子材料，或者选择与实际高分子材料的类型、结构、成分相似的材料作为参考样品。
本发明中，所述步骤(2)的具体过程为：根据拟考察的高分子材料的性能测试要求制备样品，如果要考察气候环境对高分子材料色差的老化损伤，则塑料、橡胶样品通过注塑法制备长宽厚尺寸为60mm*80mm*3mm的样板，涂料样品通过喷涂方式制备长宽厚尺寸为150mm*70mm*2mm的涂层板；如果要考察气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的机械性能的老化损伤，则按相关的测试标准制备哑铃形或长方形样品。
本发明中，所述步骤(3)的具体过程为：根据高分子材料产品的服役地区，对照GB/T 4797.1：2008或IEC 60721-2-1：2003标准，选择不同的典型气候环境，根据典型气候环境选择标准化的试验站，为了对比需要选择比较基准站，比较基准站在我国的琼海湿热气候环境试验基准站、吐鲁番干热气候环境试验基准站、美国迈阿密湿热气候环境基准站和亚利桑那干热气候环境基准站四个基准站中选择其一。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
(1)通过本方法设计的比较不同气候环境对材料老化损伤严酷度的方法，能够反应不同气候环境的太阳辐射、温度和湿度等环境因素的耦合作用，试验结果真实可靠。以往采用太阳辐照量的相对大小比较老化损伤严酷度，考虑环境条件单一，结果不能反映太阳辐照、温度和湿度等综合环境条件的影响。
(2)基准环境试验站的气候环境和试验结果是一些国际、国家和行业标准制定的依据。本方法将某一气候环境的老化损伤严酷度与我国乃至全球基准环境试验站的气候环境的关联，试验结果可以评价材料在服役地区的老化损伤与在基准试验站的老化损伤的差异，有助于行业根据现有标准改进产品设计、选材或防护方案，可以节约企业生产成本，提高生产效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1是采用本发明的方法得出的聚碳酸酯(PC)在不同气候环境老化后色差与老化时间的关系图；
图2是采用本发明的方法得出的聚丙烯(PP)在不同气候环境老化后拉伸强度保持率与老化时间的关系图。
具体实施方式
实施例1
一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，以色差为关键性能指标，比较我国琼海湿热、广州亚湿热、吐鲁番干热、青岛暖温、拉萨高原和海拉尔寒冷气候环境老化对聚碳酸酯(PC)老化损伤的严酷度。2011年5月10日开始，实施PC(牌号141R)材料在琼海、广州、吐鲁番、青岛、拉萨和海拉尔自然环境试验站自然老化试验，试验时间2年，期间每3个月取样，测试样品的色差，该方法包括试验实施环节和试验结果评定环节，具体包括如下步骤：
(1)样品的选择：选择产品制造实际采用的聚碳酸酯材料原料；
(2)样品的制备：根据拟考察的高分子材料的性能测试要求制备样品，聚碳酸酯通过注塑法制备长宽厚尺寸为60mm*80mm*3mm的样板；
(3)试验站的选择：根据高分子材料产品的服役地区，对照GB/T 4797.1：2008标准，选择不同的典型气候环境，根据典型气候环境选择标准化的试验站，为了对比需要选择比较基准站，比较基准站选择我国的琼海湿热气候环境试验基准站；
(4)自然老化试验：在广州、吐鲁番、青岛、拉萨和海拉尔5种不同的典型气候环境下分别建立试验站，开展高分子材料样品的自然老化试验，试验时间为2年，试验期间按一定时间间隔取样，测试性能，记录数据，时间间隔为3个月，高分子材料样品朝赤道正南与水平面呈45°放置；为了获得较好效果，在北半球进行试验，宜在4月—5月开始，不同试验站的试验从同一天开始；在南半球进行试验，宜在10月—11月开始，不同试验站的试验从同一天开始。其它试验要求符合相关试验标准。；
由于同一地点，每年的环境条件各不相同，如果时间允许，选择不同年份重试验，试验结果会更准确。
(5)数据处理：考察气候环境对高分子材料色差的老化损伤，则高分子材料的色差随老化时间增加而上升，用色差性能增加值作为纵坐标，老化时间作为横坐标，在直角坐标系作图，得到高分子材料样品在不同气候环境老化的色差性能增加值随老化时间的关系曲线；必要时进行数据拟合，明确材料老化性能变化趋势。
(6)试验结果的评定：
评定气候环境对高分子材料色差的老化损伤，以样品的色差为关键性能指标做判据，根据步骤(5)所述的样品色差性能增加值随老化时间的关系曲线，读取样品在不同气候环境老化1年、2年时的性能增加值；假设样品在步骤(3)所述的比较基准站老化1年后性能增加值为n0，在步骤(4)所选的S1、S2……S5这5种气候环境下的试验站的老化1年后的色差性能增加值分别为n1、n2……n5，设比较基准站的气候环境对该样品的老化损伤严酷度为1.00，则S1、S2……S5这5种气候环境对该样品的老化损伤严酷度分别为n1/n0、n2/n0……n5/n0，小数点保留2位；
以色差(△E)对老化时间(t)作图，得出PC在不同气候环境老化后色差与老化时间的关系曲线，如图1。
根据图1，可以得出PC材料在各试验站老化1年、2年后的色差及各气候环境对PC材料造成色差损伤的相对严酷度系数，见表1。相对严酷度系数即老化损伤严酷度系数。
表1：各气候环境对PC材料色差老化损伤的相对严酷度系数
Figure BDA0001825165160000061
通过老化损伤严酷度来评估高分子材料在不同气候环境的老化损伤，从而量化比较不同气候环境对高分子材料的老化损伤，对于色差，老化损伤严酷度越高，老化损伤越严重。
实施例2
一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，以拉伸强度为关键性能指标，比较我国琼海湿热、广州亚湿热、吐鲁番干热和拉萨高原气候环境对聚丙烯(PP)老化损伤的严酷度。2014年5月12日开始，实施PP(牌号N-T30S)材料在琼海、广州、吐鲁番和拉萨自然环境试验站自然老化试验，试验时间3年，期间每3个月取样，测试样品的拉伸强度，该方法包括试验实施环节和试验结果评定环节，具体包括如下步骤：
(1)样品的选择：选择产品制造实际采用的聚丙烯材料原料；
(2)样品的制备：根据要考察气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的机械性能的老化损伤，按相关的测试标准制备哑铃形或长方形样品；
(3)试验站的选择：根据高分子材料产品的服役地区，对照GB/T 4797.1：2008标准，选择不同的典型气候环境，根据典型气候环境选择标准化的试验站，为了对比需要选择比较基准站，比较基准站选择我国的琼海湿热气候环境试验基准站；
(4)自然老化试验：在广州、吐鲁番和拉萨3种不同的典型气候环境下分别建立试验站，开展高分子材料样品的自然老化试验，试验时间至少为3年，试验期间按一定时间间隔取样，测试性能，记录数据，时间间隔为3个月，高分子材料样品朝赤道正南与水平面呈45°放置；为了获得较好效果，在北半球进行试验，宜在4月—5月开始，不同试验站的试验从同一天开始；在南半球进行试验，宜在10月—11月开始，不同试验站的试验从同一天开始。其它试验要求符合相关试验标准。；
由于同一地点，每年的环境条件各不相同，如果时间允许，选择不同年份重试验，试验结果会更准确。
(5)数据处理：考察气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的机械性能的老化损伤，则高分子材料的拉伸强度保持率随着老化时间增加而下降，用拉伸强度保持率作为纵坐标，老化时间作为横坐标，在直角坐标系作图，得出高分子材料样品在不同气候环境老化的拉伸强度保持率随老化时间的关系曲线，所述的拉伸强度保持率指材料老化一定时间后的拉伸强度性能值与未老化的拉伸强度初始性能值的比值；必要时进行数据拟合，明确材料老化性能变化趋势。
(6)试验结果的评定：
评定气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的老化损伤，则以样品的拉伸强度为关键性能指标做判据，根据步骤(5)所述的拉伸强度保持率与老化时间的关系曲线，读取样品关键性能达到失效临界值所需的老化失效时间；假设样品在步骤(3)所述的比较基准站的老化失效时间为t0，在步骤(4)所选的S1、S2……S3这3种气候环境下的试验站老化失效时间分别为t1、t2……t3，设比较基准站的气候环境对该样品的老化损伤严酷度系数为1.00，则S1、S2……S3这3种气候环境对该样品的老化损伤严酷度系数分别为t0/t1、t0/t2……t0/t3，小数点保留2位；
用PP老化后的拉伸强度除以未老化时的拉伸强度，得出老化一定时间的拉伸强度保持率。以拉伸强度保持率对老化时间(t)作图，得出PP在不同气候环境老化后拉伸强度保持率与老化时间的关系曲线，如图2。
以PP的拉伸强度保持率降低至50％为失效判据，根据图2，得出PP在各试验站的老化失效时间，并计算各种气候环境对PP材料造成拉伸强度损伤的相对严酷度系数，见表2。相对严酷度系数即老化损伤严酷度系数。
表2：各气候环境对PP材料拉萨强度老化损伤的相对严酷度系数
Figure BDA0001825165160000081
通过老化损伤严酷度来评估高分子材料在不同气候环境的老化损伤，从而量化比较不同气候环境对高分子材料的老化损伤，对于拉伸强度保持率，老化损伤严酷度越高，老化损伤越严重。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应属于在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，包括试验实施环节和试验结果评定环节，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)样品的选择；
(2)样品的制备；
(3)试验站的选择；
(4)自然老化试验：在M种不同的典型气候环境下分别建立试验站，M为大于等于1的自然数，开展高分子材料样品的自然老化试验，试验时间至少为1整年，根据高分子材料耐候性强弱，试验时间以1年为单位递增，直至高分子材料样品发生失效为止，试验期间按一定时间间隔取样，测试性能，记录数据，时间间隔为1个月、3个月或6个月，如果不明确失效临界值，以性能下降至初始性能的50％作为失效判据，高分子材料样品朝赤道正南与水平面呈45°放置；
(5)数据处理：如果考察气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的机械性能的老化损伤，则高分子材料的拉伸强度保持率随着老化时间增加而下降，用拉伸强度保持率作为纵坐标，老化时间作为横坐标，在直角坐标系作图，得出高分子材料样品在不同气候环境老化的拉伸强度保持率随老化时间的关系曲线，所述的拉伸强度保持率指材料老化一定时间后的拉伸强度性能值与未老化的拉伸强度初始性能值的比值；如果考察气候环境对高分子材料色差的老化损伤，则高分子材料的色差随老化时间增加而上升，用色差性能增加值作为纵坐标，老化时间作为横坐标，在直角坐标系作图，得到高分子材料样品在不同气候环境老化的色差性能增加值随老化时间的关系曲线；
(6)试验结果的评定：
如果评定气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的老化损伤，则以样品的拉伸强度为关键性能指标做判据，根据步骤(5)所述的拉伸强度保持率与老化时间的关系曲线，读取样品关键性能达到失效临界值所需的老化失效时间；假设样品在步骤(3)所述的比较基准站的老化失效时间为t0，在步骤(4)所选的S1、S2……Sm这M种气候环境下的试验站老化失效时间分别为t1、t2……tm，设比较基准站的气候环境对该样品的老化损伤严酷度系数为1.00，则S1、S2……Sm这M种气候环境对该样品的老化损伤严酷度系数分别为t0/t1、t0/t2……t0/tm，小数点保留2位；
如果评定气候环境对高分子材料色差的老化损伤，则以样品的色差为关键性能指标做判据，根据步骤(5)所述的样品色差性能增加值随老化时间的关系曲线，读取样品在不同气候环境老化1年、2年或其它整数年时的性能增加值；假设样品在步骤(3)所述的比较基准站老化1年后性能增加值为n0，在步骤(4)所选的S1、S2……Sm这M种气候环境下的试验站的老化1年后的色差性能增加值分别为n1、n2……nm，设比较基准站的气候环境对该样品的老化损伤严酷度为1.00，则S1、S2……Sm这M种气候环境对该样品的老化损伤严酷度分别为n1/n0、n2/n0……nm/n0，小数点保留2位；
通过老化损伤严酷度来评估高分子材料在不同气候环境的老化损伤，从而量化比较不同气候环境对高分子材料的老化损伤，老化损伤严酷度越高，老化损伤相对越严重。
2.根据权利要求1所述的量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体过程为：选择产品制造实际采用的高分子材料，或者选择与实际高分子材料的类型、结构、成分相似的材料作为参考样品。
3.根据权利要求1所述的量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体过程为：根据拟考察的高分子材料的性能测试要求制备样品，如果要考察气候环境对高分子材料色差的老化损伤，则塑料、橡胶样品通过注塑法制备长宽厚尺寸为60mm*80mm*3mm的样板，涂料样品通过喷涂方式制备长宽厚尺寸为150mm*70mm*2mm的涂层板；如果要考察气候环境对高分子材料拉伸强度保持率的机械性能的老化损伤，则按相关的测试标准制备哑铃形或长方形样品。
4.根据权利要求1所述的量化比较不同气候环境对高分子材料老化损伤的方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体过程为：根据高分子材料产品的服役地区，对照GB/T 4797.1：2008或IEC 60721-2-1：2003标准，选择不同的典型气候环境，根据典型气候环境选择标准化的试验站，为了对比需要选择比较基准站，比较基准站在我国的琼海湿热气候环境试验基准站、吐鲁番干热气候环境试验基准站、美国迈阿密湿热气候环境基准站和亚利桑那干热气候环境基准站四个基准站中选择其一。
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