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塑料零部件老化测试:为什么您比以往任何时候都更加需要它?

发布于:2022-11-01

塑料零部件的耐候老化测试正在成为阻止潜在产品故障的关键步骤。随着OEM 越来越多地求助于处理器进行设计和材料选择,服务中老化故障的责任也正在沿着供应链向下传递。在汽车塑料中尤其如此。原始设备制造商、加工商、配混商和添加剂供应商之间通常没有充分沟通产品将面临的服务环境。误解产品的使用方式或使用地点是产品失败的根源。

制造商面临着提高产品性能并同时降低成本的压力。他们正在转向新材料和添加剂作为潜在的解决方案。但是在没有充分测试的情况下引入这些未知因素有助于解释为什么与老化相关的故障发生率正在上升。

精心策划的老化测试计划可以提前识别这些风险。不幸的是,许多加工商及其客户对如何测试耐候性并不了解。

为什么塑料制品会失败

塑料制品不合格的主要原因有三个:

· 糟糕的设计,包括不适合最终使用环境的材料配方。

· 在设计标准之外使用产品。

· 影响性能的工艺或材料变更。

失败可能意味着颜色和外观发生变化,例如变黄、褪色、变色或失去光泽。对于其他产品,故障是根据机械完整性和物理性能来定义的,例如洗衣机中的尼龙齿轮变脆和破裂。

客户希望他们的塑料产品在预期的大部分使用寿命内都表现良好且外观良好。但是,由客户来定义外观变化何时会导致产品“失败”。

塑料零部件老化测试

塑料材料耐久性测试失败的新因素

塑料材料和产品正在被引入可能尚未设计或测试的全球市场。最大的交通管制产品制造商之一将用于户外测试的样本发送到其他国家,测试产品对当地环境的特有敏感性,从而预测产品在该地的耐久性。

新聚合物、传统聚合物的变体(如茂金属等级)以及新的共聚物共混物和合金因其成本性能或加工优势而受到积极推销。然而,这些新材料的耐久性仍然是一个问号,没有经过充分的测试。同样,基于新型有机颜料和颜料混合物的新型着色剂系统正在取代基于重金属的着色剂。这些新的着色剂可能具有意想不到的颜色稳定性和耐光性问题。 

在一个真实案例中,有色塑料家具零部件在短时间暴露于透过窗玻璃进入的阳光下后显示出严重的褪色和色相变化。着色剂由无机白色和黑色颜料以及有机红色、蓝色和黄色组成。该产品首先表现出整体褪色,然后随着有机着色剂以不同的速率失去饱和度,色调变为棕褐色,然后变为绿色。

室内紫外线照射可能并不总是被认为是一个重要的退化因素。在聚丙烯荧光灯装置的情况下证明了这一点,由于来自相邻灯的紫外线照射,该装置变色并变得白垩和易碎。

许多新的着色剂主要是带有聚合物载体的浓缩物,将此载体添加到其他基础聚合物中会影响系统的耐候性能。此外,在载体中稳定的颜料在基础聚合物中可能不那么稳定。对于硬质和增塑 PVC尤其如此,其中许多颜料与 PVC 在户外逐渐脱氯化氢引起的高酸度不相容。

来自同一供应商的不同工厂甚至不同反应器的“相同规格”树脂在交联、分子量分布、侧链支化或颗粒大小方面可能不同。所有这些都会影响加工和耐候老化性能。对于聚丙烯等半结晶聚合物来说尤其如此。在一种情况下,好产品和坏产品批次之间唯一明显的区别是树脂中钙含量的可测量增加。经调查,确定这发生在树脂供应商开始从不同工厂发货时,钙的差异归因于造粒操作中使用的当地供水。这种变化影响了树脂的耐候性。

填料和其他散装添加剂经常以价格购买,但当非技术买家为了节省一分钱而更换供应商或等级时,他们可能会损害产品性能。例如,滑石可以吸收HALS紫外线稳定剂并降低其有效性。并且各种二氧化硅填料中的金属含量会催化PP 的降解,除非它足够稳定。

稳定剂还是“不稳定剂”?

从某种意义上说,所有聚合物添加剂都可以被认为是污染物。尽管它们具有积极的价值,但它们也可能具有不良的副作用。例如,二氧化钛用于保护硬质乙烯基等树脂免受紫外线伤害。然而,众所周知,二氧化钛在存在紫外线和水分的情况下会导致聚合物降解,从而导致乙烯基壁板和门窗型材的粉化。幸运的是,可以通过使用具有适当表面涂层的耐候性二氧化钛来避免粉化。

炭黑是另一种常添加用于防紫外线的颜料。然而,炭黑有许多等级和形式。其中一些具有更高水平的表面官能团,可以吸附抗氧化剂,从而降低而不是提高整体稳定性。

通常添加金属螯合物如硬脂酸钙和硬脂酸锌作为加工稳定剂。然而,它们可能对其他添加剂产生拮抗作用,例如受阻胺光稳定剂 (HALS)。结果会降低耐候性。

受阻酚类抗氧化剂作为加工稳定剂添加到许多聚合物中。但是,它们可能会在产品使用寿命期间与大气中的氮氧化物发生反应,从而产生泛黄或粉红色。需要辅助稳定剂来尽量减少这种“气体褪色”问题。

当材料暴露在过高的温度下时,这种效果会更加突出。例如,一家野餐冰柜制造商发现它的仓库里装满了冷却器,白色PVC内衬出现粉红色斑点。问题是仓库在夏天达到了100华氏度的温度。汽车TPO的过热加工经常会遇到类似的颜色问题。 

塑料耐用性老化测试

提交产品进行耐候测试的另一个原因是确保不正确的处理不会影响使用中的耐用性。在过高温度下加工的乙烯基壁板过早变黄只是一个例子。许多产品故障可追溯到诸如提高成型温度以处理“困难”批次的树脂或提高挤出机速度和模头温度以提高产量等做法。这些步骤通过引发自由基氧化和自催化降解机制、消耗抗氧化剂并使聚合物对紫外线攻击敏感,对聚合物产生负面影响。

测试还可以验证二次加工程序。例如,聚碳酸酯汽车前照灯罩需要硬涂层以防止划伤和紫外线引起的泛黄。但是,涂装不当的硬涂层会在暴露于天气后分层。

在配制产品以提高使用寿命时,可能会忽略二次加工可能产生的有害影响。在一个案例中,注塑成型的PVC车库门制造商使用了一种经过验证的化合物,并对成型操作进行了严格控制。然而,门段具有通过超声波对接焊接的斜接角。尽管PVC在初始加工和正常老化时是稳定的,但焊接过程会导致对接接头的热降解,导致在户外暴露时严重泛黄和开裂。

许多塑料都经过涂层处理以提高性能或外观特性。这些涂层有时会对塑料产生负面影响,例如增加泛黄。例如,新的高尔夫球通常具有防滑涂层以最大程度地减少空气阻力,但该涂层可能会导致塑料基材变色。

塑料制品在Q-SUN氙灯耐候老化试验箱中进行老化测试

如何规避风险?

将产品设计成故障安全型或测试所有可能性都是不可行的。然而,影响产品耐用性的可识别变量通常有限。因此,材料生产商和加工商应谨慎进行基本设计实验,以衡量产品对配方、加工和环境因素的敏感性。统计设计的实验比“测试它,看看会发生什么”的方法更有效率和成本效益。

即使是适度的耐久性测试计划通常也可以通过降低保修成本并允许加工商优化配方和加工方法而不影响产品的耐候性来收回成本。

如果不进行测试,树脂、添加剂或加工的变化可能会导致耐候性能出现令人不快的意外。

塑料制品在户外进行自然老化测试