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聚合物的长期热老化试验

发布时间:2022.04.02
信息摘要:
 相对温度指数(RTI),是聚合物应用於高温条件时的重要指标。聚合物的长期热老化试验就是测试材料RTI等性能以判定材料性的重要测试方法。

        相对温度指数(RTI),是聚合物应用於高温条件时的重要指标。聚合物的长期热老化试验就是测试材料RTI等性能以判定材料性的重要测试方法。 许多工程师及物料供货商最常听到也最怕听到的,就是“最高操作温度” ( Maximum Operating Temperature,MOT )或者是“相对温度指数”(Relative Thermal Index,RTI),因为这些数值几乎决定了一种物料是否适用于某种成品。对于成品生产商而言,如果在进行成品安全测试时所录得的操作温度高于所用物料的最高容许温度,几乎就只有两个可行的选择: 

1、改用其它可承受较高温度的物料; 

2、更改成品设计,以降低对操作温度的要求。 

      但这两个选择,却有可能大大增加研发成本,甚至拖延研发周期,因为对复杂的产品设计而言,往往一点小变动也会牵一发而动全身。所以,选择合适或较高 RTI 的物料是获得更佳成本效益的方法。对物料供货商而言, 能够提供高于原本类别(Generic)RTI 的物料是提高他们产品竞争力的因素之一。究竟怎样能够有效地确认物料的 RTI?答案是通过 LTTA 测试。 LTTA的定义及相关标准 LTTA 是一项相当专业且应用广泛的测试项目。所谓LTTA,是Long Term Thermal Aging,即长时间热老化测试的缩写。

        聚石化学公司提供该测试项目以及详细的相关标准:例如 ? UL 746B 聚合物材料标准——长期特性评估 ? UL 746A 聚合物材料标准——短期特性评估 作为UL 的基础测试项目,LTTA最常用于评估聚合物材料的特性,如工程塑料等。以大约5,000至10,000小时的“加速”热老化结果,推断物料的指定特性在100,000小时(即半衰期)能承受的最高温度,也就是相对温度指数(RTI)。换句话说,相对温度指数显示了某种物料特性的抗热能力,即物料若长期暴露在最高容许温度下,仍能保持该种特性的能力。因为聚合物材料的用途很多,如电、热、外力等,所以在未设定用途的情况时,聚合物材料的每种特性均有不同的 RTI 值。此外 LTTA 测试也会用于评估系统及成品的整体特性,而适用于整个系统及成品的最高容许温度,则称为最高操作温度(MOT)。MOT 是用在已知用途的情况下,对物料组件组合成系统及成品所定的限制;换言之,也就是针对整个系统及成品的整体评估与限制。

       聚石化学均会在每个相关标准标示出“MOT 不可高于系统内任何一个组件以及任何一个相关特性的额定温度数值”。 LTTA与一般安全测试的差异 没有接受过热老化测试的物料,会被假定其相对温度指数与原本类别(Generic)物料的数值相同。当物料被用于某种产品设计上,而该产品的操作温度比物料的原本类别相对温度指数较高时,便可通过 LTTA 测试来确定物料的实际相对温度指数、在长时间使用的极限安全温度与使用环境,以判断该物料是否适用于该产品上。原本类别物料的相对温度指数是参考过往的测试数据和化学结构推算出来,在UL 746B (聚合物材料标准—长期特性评估)内附有普通级别物料的相对温度指数列表。 

      LTTA与一般安全性或是功能性测试的概念与方法几乎可以说是完全不同,其特别之处在于LTTA并不像安全性测试一样有预设测试截止时间,也不像功能性测试有可用于比较的预设测试条件的限制。LTTA 所要观察的是三个变量“时间、温度、特性”之间的关系,因为控制变因的设计,使得LTTA不太像是一种“测试”,反而比较像是“实验”,所以LTTA是根据这三个变量来进行设计与观察,从而得出变量之间的理化关系式。 LTTA测试过程 适用物料 任何含有“有机聚合物”的物料,无论是热塑性、热固性还是弹性的有机聚合物,均由分子大小不同、结构不同以及聚合度不一的巨型分子所混合而成,而物料的特性会与混合的分子结构、分子量分布、分子量大小有相当大的关联。虽然因为分子间结合力不强最容易加工,但也因此最容易产生裂解现象,所以这些物料都需要接受LTTA测试。而单一元素物料如铁、铝、硅等属于单原子分子,所以即使历经加热及降温,也不会出现物料质量劣化的现象。至于无机低分子量物料,如陶瓷,只有在温度高于1000℃的情况下,它的质量才会劣化,但一般消费产品的操作温度从不会高达1000℃。因此,这些物料无需接受 LTTA 测试。金属合金的特性改变则是与分子排列的重组有关,与制作过程的关联性远大于与热的关联性,所以也不适合进行 UL 的 LTTA 测试。因此,有机聚合物物料或是含有“有机聚合物”物料的系统及成品,就是LTTA所必须评估的对象。 

      测试方式 LTTA通过观察三个变量:时间、温度和特性之间的关系,决定材料长期使用的极限安全温度与使用环境。 LTTA 的进行方式与观测放射性元素衰变的方法很像,在不加入反应物或是没有其它影响裂解的元素出现的情况下,观察温度和时间对物料特性衰变的影响。为了避免温度对仪器造成的影响,测试本身并不在高温下进行,而是让物料在指定温度和时间下进行测试,将物料冷却至室温,再进行相同的测试,以观察其特性的衰退情况。在简化评估的要求下,可以采用“固定时间、改变温度(Fix Time Frame Method, FTFM)”或“固定温度、改变时间(Fix Temp)”的方法来进行测试。之后从每一组温度与时间的关系中,找出某个温度下的半衰期,再藉由温度与半衰期的关系,外推至指定半衰期的温度,从而得出物料每项特性的相对温度指数。为增强测试资料的可比较性,也会引入已知特性的控制组物料对照,利用二组物料来进行比对测试,办法是利用控制组物料在同一测试条件下的测试结果,与待测试物料的资料比较及作适当的偏差修正。 

      LTTA的优势 截至目前,尚没有其它更有效更快速的方案能够替代LTTA,其优势具体表现在三个方面。 配合更多客户群的需要 物料本身的 RTI 低于成品在正常或不正常的操作环境下产生的最高操作温度(MOT),这属于“安全性”的问题,如果物料的 RTI 不改善,客户很可能就会寻找更高 RTI 的物料,而直接更换物料供货商了。所以,较高 RTI 的物料,更能够配合不同客户群的需要。 满足高品质客户的需求 更高的 RTI 代表可以耐受更高的温度或是在相同温度下有更高的强度,所以在产品操作环境温度需求不变的情况下,RTI 更高的物料通常可以使用更长的时间,减少成品维修的机会与成本,更能够满足高品质客户的需求。 建立可持续性竞争优势 如以上两点,高 RTI 的物料本身就具有较高的附加价值,在原料成本差异不大的情况下,更能够争取到客户的较高利润订单。

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