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      塑料防老化可以采取哪些措施
      來源: 發布時間:2016/12/21 16:01:33 點擊數:

      目前,我國已經成為電子產品的生產大國和消費大國,是全球的電子產品制造中心。在電子產品的常用原材料中,塑料以其質量輕、強度高、電絕緣性能優良以及良好的穩定性和安全可靠性,成為電器設備中僅次于金屬材料的第二大原材料, 同時也是電子設備中應用量增長最快的原材料,目前在家用電子產品中塑料的使用量均在60% 以上,在消費類電子產品中也有廣泛應用,如儀器儀表、通訊器材、數碼相機、計算機等的外殼和零件。然而塑料在聚合、加工、倉儲、運輸及使用過程中會發生熱氧化及老化等腐蝕失效,其后果是機械性能及物理性能發生劣化,以至于部分或全部失去使用性能,從而嚴重影響了電子設備的使用壽命以及性能,特別是在苛刻環境條件下,常造成電子設備的提前失效,甚至引起產品的安全問題。相對于金屬材料的腐蝕失效,塑料的變質和腐蝕失效更呈現多樣性,且缺乏規律,金屬的腐蝕一般在表面開始發生,逐漸向內部擴展,而塑料的腐蝕失效多從內部發生。所以對塑料的腐蝕失效多,特別是老化失效形式和機理的認識以及對塑料的改性, 對于擴大其在電子設備中的應用具有較大的指導作用。
      塑料的腐蝕失效即老化
      塑料的腐蝕主要是指塑料在化學介質和其它環境因素(如應力、光、熱等)共同作用因變質而引起的失效,其腐蝕形式主要有溶脹溶解、化學裂解、應力腐蝕開裂和老化等。其中溶脹溶解、化學裂解主要是由于塑料浸泡腐蝕介質中時,介質向塑料基體內部擴散、滲透,而產生的破壞; 應力腐蝕斷裂是介質和應力共同作用下出現的失效;老化是由于塑料的化學組成、分子結構和物理狀態等內因和經受光、熱電、機械應力、氧氣、臭氧、化學介質等外因作用而引起的腐蝕現象。一般把材料在化學介質或化學介質與其他因素共同作用下腐蝕失效稱為化學老化;而把在大氣環境中,因受太陽紫外線、空氣中的氧和環境溫度、濕度的作用導致的性能劣化稱為大氣老化或環境老化。實踐證明,設備結構件的大氣老化是電子設備中塑料常見的腐蝕現象。
      塑料的老化形式現象有很多,主要變化歸納為 4 個方面:
      (1) 外觀的變化
      例如變色、龜裂、銀紋、發枯、變硬、變軟、變脆、變形、失光、粉化、起泡、剝落等。
      (2) 物理性能的變化
       例如密度、溶體指數、導熱系數、透光率、透氣率、分子量、羰基含量變化等。
      (3) 力學性能變化
      例如拉伸強度、伸長率、沖擊強度、彎曲強度、硬度、彈性、附著力、耐磨強度等改變。
       (4) 電性能變化
       例如絕緣電阻、介電常數、介質損耗、擊穿電壓等改變。
      老化不僅會使物理性能(如顏色、表面光潔度等)發生劣化,而且會造成機械性能的降低(如抗沖強度與拉伸強度降低, 材料由延性變成脆性等),會造成電子設備部分或全部失去使用性能,特別是要求電學性能的接插件,由于老化造成介電常數、絕緣性能的變化,使得接插件失效或者性能下降,從而造成電子產品失效或者出現安全事故。近年來家用產品中出現的失火、漏電、爆炸等事故,部分是由于熱老化造成塑料結構件變形,而引起電容器的擊穿;或者接插結構件由于老化造成絕緣性能下降,而引起漏電、爬電,短路, 釀成重大事故。
      那么影響塑料老化的因素主要有哪些呢?我們可以將影響塑料的因素分為內因和外因,內因是變化的根據,外因是變化的條件,外因通過內因起作用。
      從內因來看,塑料的化學結構、物理結構、成型加工條件以及外來雜質等都對塑料的耐老化能力有影響,從化學結構上來看,塑料不論是合成的還是天然的,在化學結構中必然存在一些弱鍵,這些弱鍵成為老化反應的突破口,如ABS 的不飽和雙鍵;聚碳酸酯的酯鍵;尼龍的酰胺鍵、聚甲醛的半縮醛端基和醚鍵;聚砜的碳硫鍵等,不同的塑料由于其化學結構以及成型條件不同,其老化性能也不盡相同,在受到外部因素時,化學結構或者成型條件中的缺點成為老化突破口,隨后進行各種類型的老化過程,有的以降解為主,有的以交聯過程為主,有的則綜合兩者,不同的塑料,不僅老化性能不同,老化機理也存在差異。
      那影響塑料老化的外因主要有物理因素、化學因素和生物因素等。包括太陽光、氧、臭氧、熱、水分以及工業有害氣體、微生物等大氣環境因素。此外,機械應力的作用、成型加工條件的影響也屬于外因。
      (1) 紫外光
       紫外光是影響塑料老化最主要的外因之一。太陽光中的紫外光會使塑料分子中的化學鍵激發,若有氧或水存在時處于激發狀態的化學鍵將會進一步發生化學裂解。
      (2) 溫度
      塑料吸收陽光熱量,溫度升高或者內部溫度引起熱老化,同時也能促進其他化學老化,日照也使增塑劑等液態組分揮發,同時促進腐蝕介質更快的向高塑料內部滲透。
      (3) 濕氣
      大氣環境中的降水、潮濕(水汽)等因素都會影響塑料的老化。雨水,特別是凝露形成的水膜,能夠滲入塑料內部,使塑料內的某些水溶性物質、增塑劑被水溶解、抽提或吸收,從向逐步改變塑料的組成和成分比例,會使耐水性差的高聚物產生滲脹、變形、水解等,從而加速塑料的老化。如果塑料分子結構中含有可水解基團(如酰胺基、酯基、縮醛基等)的話, 在雨水或潮濕的長期作用下,往往會發生水解反應。
       (4) 輻射
      當塑料處于高能輻射時,若所用輻射劑量很大,則可以徹底破壞其結構,甚至使它完全變成粉末,在一般劑量的輻射下, 塑料的性質也有不同程度的變化。輻射化學效應主要是大分子鏈的交聯與裂解。
      防老化采取的措施
      塑料的老化既然存在內因和外因,那么防老化也可以從兩方面采取措施。一方面,可用添加防老劑的方法來抑制光、熱、氧等外因對塑料的作用或者采用改進聚合和成型加工工藝或者改性的方法,提高塑料本身對外因的穩定性;另一方面也可以采用物理防護方法使塑料避免受到外因的作用。
      防老劑是一類能夠防護和抑制光、熱、氧、臭氧、重金屬離子等外因對塑料產生破壞作用的物質。添加防老化可以改善塑料的加工性能,延長塑料的儲存和使用壽命,方法簡便且效果顯著,是當前塑料防老化的主要途徑。依據防老劑的作用機理和功能,可以分為以下幾種:
      (1) 抗氧劑能夠抑制氧化反應和臭氧老化反應。
      (2) 紫外線穩定劑防止和抑制光氧化反應的發生和發展。
      (3) 熱穩定劑
      防止塑料在加工(高溫下)和使用過程中受熱而發生降解或交聯。
      (4) 防霉劑防止塑料發生霉腐。添加防老劑的方法,對于塑料通常是在樹脂捏合、造粒時加入,也可在聚合或聚合反應的后處理時加入。
      在電子設備結構設計中,應該根據具體使用環境,選用那些對光、熱、臭氧等因素具有較高穩定性和本身具有耐霉性的塑料,同時,應該選用添加了防老劑的材料品種。
      從改性方法方面,由于成型后的塑料制品中,或多或少都存在殘余的內應力。如果內應力相當大,則會使塑料制品在使用過程中發生翹曲、龜裂和性能嚴重變壞。成型后進行退火熱處理,可以消除殘余內應力,預防過早產生開裂(特別是有金屬嵌件的制品)。
      物理防護主要是指在塑料表面涂覆上一層防護層,防止大氣老化,具體方法有:
      (1) 涂漆
      許多塑料都可以采用涂漆的方法來提高耐候性。選用涂料時,應注意涂料與塑料之間的適應性問題。
      (2) 鍍金屬
      在塑料制品表面鍍上一層金屬保護膜, 能對塑料的老化起到良好的防護效果,還可以使其表而具有金屬特性,擴大了應用范圍。目前,鍍金屬的塑料品種以ABS 和聚丙烯占多數。此外,聚砜、聚苯醚等工程塑料也可以用鍍金屬的方法提高耐候性。
      (3) 涂布防老劑溶液
      將塑料制品浸入含有防老劑的溶液中, 或將這些溶液涂布在制品上,使能抑制外因作用的防老劑都集中在表面形成保護膜, 從而可起到顯著的防護效果。
      結論
      塑料是電子產品結構件中使用僅次于金屬材料的的第二大原材料,隨著塑料性能的不斷改性,塑料將得到更加廣闊的應用。通過本文我們可以看到塑料結構件的使用環境常由多種腐蝕因素組合作用, 構成設備的材料也由多種材質和形態組成,腐蝕環境較為復雜,因此我們在塑料結構件選材或者設計塑料的防腐蝕體系時,不應僅僅考慮其使用要求,更應該考察該塑料在使用環境下的耐老化性能以及防老化措施的可實施性。

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