SEBS膠質材料吸附性能的老化試驗研究

朱新宇， 王威風， 李寶國， 劉國春

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院， 四川 廣漢 618307)

SEBS膠質材料吸附性能的老化試驗研究

朱新宇， 王威風， 李寶國， 劉國春

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院， 四川 廣漢 618307)

分別研究了在自然光照、不同熱氧溫度、紫外線輻射的老化條件下該材料吸附極限載荷的變化狀況,提出了“最大承載損失率”的概念,從宏觀力學性能與細觀形貌兩方面分析了材料的變化情況,發現該材料受溫度影響最大,最大承載損失率達到了48.9%。該材料的吸附能力在老化初始階段下降很快,隨著老化時間的增加逐漸趨于平穩,但仍具有一定的吸附能力。該研究結合宏觀力學測試與細觀外貌特征的綜合表征材料吸附性能的檢測方法,具有較強的工程應用性。

SEBS膠質材料； 老化條件； 承載損失率； 吸附能力； 綜合表征

SEBS膠質產品具有無色透明、無毒無味、與其他材料相比有較強的黏結力且對吸附表面無損傷等特點,被廣泛應用于黏合劑、塑料改性劑、表面保護等方面[1]。在溫度和光照等作用下,SEBS膠質材料分子結構會發生降解、斷鏈、結晶、霉變、交聯等變化,吸附性能逐漸下降,因此通常要求應用在避光、低溫的環境中[2]。

采用有效的試驗方法來分析材料性能,是研究SEBS膠質材料老化機制、開展SEBS膠質材料壽命評估的關鍵[3]。常用的環境老化試驗為熱老化與光源老化試驗。熱老化試驗是用于評定材料耐熱老化性能的人工加速老化試驗方法,將試樣放置在設定條件的溫度試驗箱內,通過周期性的檢查來測定試樣外觀和性能的變化,從而評定試樣的耐熱氧穩定性[4-6]。在自然光照中,對SEBS膠質材料老化作用最明顯的是紫外線,試驗中常用紫外線光源來檢驗材料的抗光照老化能力,得到近似于自然條件下的耐候性結論。

本研究的對象為SEBS膠質材料在自然條件下吸附能力的變化,主要從宏觀的吸附力大小與細觀的表面特性來進行分析[7-8]。針對SEBS膠質材料的吸附老化性能研究在國內外文獻中還未見有所提及,本研究創新性地提出了結合宏觀力學性能與材料細觀外貌特征的綜合表征方法。該方法在實際應用中簡便易行,具有較強的工程應用性。

1 SEBS膠質材料吸附性能的老化試驗

1.1 老化試驗步驟說明

本研究選用基層為SEBS膠質材料的掛鉤作為試驗試樣,并在其表面貼上一層紫外線防護膜。設定每組4個試樣,分別在自然光照、不同熱氧溫度和紫外線輻射的老化條件下,采用測力計對每次試驗前后的試樣進行最大吸附承載力測量；觀察材料宏觀力學性能的變化,表征光照和溫度變化對材料老化的影響；借助光學顯微鏡成像技術,對試驗前后的試樣進行表面細觀結構觀察,從材料表面的細觀特征來分析SEBS膠質材料吸附性能變化的原因。

1.2 老化試驗條件說明

(1) 自然光照老化。試樣組貼于光滑平面處,在陽光直曬區域露天放置,每8 h進行一次摘取,測試其吸附極限載荷,與實際應用條件相仿。

(2) 不同溫度條件的熱氧老化。熱氧條件模擬室溫的極限溫度,選取了30、40、50 ℃ 3種情況,在溫度試驗箱中進行加速試驗,每8 h進行一次摘取,并測試其吸附極限載荷。然后,將材料冷卻到室溫,模擬晝夜溫度交替變化,再進行下一輪試驗。

(3) 紫外線輻照老化。按照GB/T 16422.2—1999的試驗方法,在室溫條件下于圖1所示紫外線試驗箱中進行紫外線老化試驗,每8 h進行一次摘取,并測試其吸附極限載荷[9]。

圖1 紫外線試驗箱

1.3 材料老化性能測試

1.3.1 宏觀力學性能測試

根據GB/T 1040—1992的試驗要求對每次老化試驗前后的試樣進行力學性能測試[10]。在每次試驗前后,分別用測力計對試樣最大承載力進行拉力測量,研究其極限條件下吸附載荷的變化情況。

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1.3.2 細觀形貌觀測

對不同試驗條件與時間的試樣,用光學顯微鏡對材料表面細觀結構進行觀察,從細觀外形表征上分析SEBS膠質材料吸附性能變化的原因[11-12]。

1.4 試驗結果與分析

1.4.1 自然光對SEBS膠質材料吸附性能的影響

在自然光照條件下,SEBS膠質材料所承受的最大承載力F與老化時間t的關系見圖2。從老化開始到老化56 h時,材料的最大承載力逐漸減小,降幅為50%；而在老化56 h后,最大承載力反彈,極限載荷有所升高；在老化88 h后,極限載荷又重新下降；當老化96 h時,材料的最大承載力由最初50 N下降到16 N,最大降幅達到68%。該結果說明,SEBS膠質材料的吸附性能雖然會在某個老化時間內暫時有所增強,但總的趨勢還是會隨老化時間的延長而逐漸降低。

圖2 最大承載力與自然光照老化的關系曲線

1.4.2 不同溫度條件的熱氧老化對SEBS膠質材料吸附性能的影響

SEBS膠質材料在不同熱氧溫度下最大承載力與老化時間的關系見圖3。從整體上來看,在30、40、50 ℃的熱氧溫度條件下,材料的最大承載力都呈現出下降的趨勢；但從各個溫度下材料的最大承載力變化分析來看又有所不同，在30 ℃時,材料的最大承載力在前96 h內變化幅度較大,當老化時間在64 h,降幅最大,達到64%；在40 ℃時,材料的最大承載力在前72 h內變化幅度較大,當老化時間達到56 h,降幅最大,達到47%；在50 ℃時,材料的最大承載力在前64 h內變化幅度較大,當老化時間處于24 h,降幅最大,達到41%，說明溫度越高,吸附性能減弱地越快。但是,即便材料的吸附性能經過初始大幅度的下降,在100 h后逐漸穩定在初始吸附性能的40%左右,也仍然保持了較好的吸附能力。實際上,在30 ℃的熱氧試驗超過了300 h后,材料仍然具有一定的吸附性。

1.4.3 紫外線對SEBS膠質材料吸附性能的影響

在紫外線輻照條件下,SEBS膠質材料所承受的最大承載力與老化時間的關系見圖4。從圖中我們可以看出,當老化時間達到48 h,材料的最大承載力降幅最大、達到40%。而在試驗前后,材料的最大承載力變化不大,總體上呈下降趨勢。相較于熱氧溫度老化,紫外線輻射對材料吸附性能影響較小。

圖3 最大承載力與不同熱氧溫度老化的關系曲線

圖4 最大承載力與紫外線輻射老化的關系曲線

1.4.4 老化試驗結果分析

SEBS膠質材料的最大承載力可以表征其吸附能力破壞的極限。通過測量試樣在每次摘取試驗前后的最大承載力,建立最大承載損失率與老化時間的關系,進而研究材料的老化性能。最大承載損失率的定義為

式中:F0和Ft分別為每次摘取試驗前后試樣的最大承載力。

所有試驗類型的老化時間和SEBS膠質材料最大承載損失率的關系見表1和圖5。

表1 試樣最大承載損失率與老化時間的關系 %

表1(續) %

圖5 最大承載損失率與老化時間的關系曲線

從圖5中看到,在自然光照、不同熱氧溫度、紫外線輻射等老化條件作用下,試樣的最大承載損失率在試驗初始階段上升很快,達到最大峰值之后再逐漸減小,最后趨于一個平衡狀態。說明在試驗的末尾階段材料的吸附性能受環境影響較小,仍然具有較強的吸附能力。

在不同的老化條件下,試樣的最大承載損失率也有較大的差異。在不同熱氧溫度、自然光照、紫外線輻射的老化條件下,最大承載損失率依次降低。說明熱氧環境對材料老化的影響較大,紫外線輻射對其影響較小。當達到材料最大承載損失率時,在30、40、50 ℃條件下,分別用了56、40、24 h,從側面也反映了溫度越高,材料老化越明顯的特性。

1.5 SEBS膠質材料細觀圖像分析

試驗試樣的吸附性能主要取決于SEBS膠質材料的形狀與性質,因此對SEBS膠質材料進行細觀層面的性狀觀測,可從另一方面反映材料吸附能力的變化情況。圖6為的幾組SEBS膠質材料在光學顯微鏡50倍放大倍數下的局部細觀圖像。圖6(a)是一個全新的試驗試樣基層材料在光學顯微鏡下的成像。從圖中可以看出,SEBS膠質材料的分子排列有序、分布均勻。而在自然光照、紫外線輻射和不同熱氧溫度的老化條件分別作用下,經過128 h后變成了圖6(b)—(f)中的錯亂混雜、大小不等的圖像。

圖6 不同老化條件下的試樣顯微圖像

從圖6(b)和圖6(c)中可知,在自然光照、紫外線輻射老化條件作用下,SEBS膠質材料表面分子結晶、霉變現象不明顯,只是增加了由于摘取所造成的小顆粒附著現象。而從圖7(d)、(e)、(f)中可以很明顯地看到溫度對SEBS膠質材料分子結構的影響，在30 ℃時,材料表面分子結晶、霉變明顯,40 ℃時加劇,到50 ℃時,霉變的分子逐漸交聯,在材料表面形成老化區域,從而造成材料的性能劣化。另外,從圖6(f)中可以明顯地看到由于測量最大承載力而造成的材料表面拉痕,這也是實際使用中可能會影響材料吸附性能的一個重要因素。

2 結論

(1) 通過對各個老化條件下損失率的比較,發現了該材料受溫度影響最大,最大承載損失率達到了48.9%,而相同條件下自然光照老化和紫外線輻射老化的最大承載損失率分別為25.6%、12.4%。

(2) 該材料的吸附能力在老化的初始階段下降很快,隨著老化時間的增加,吸附性能變化逐漸趨于平穩,但仍具有一定的吸附能力。

(3) 研究中提出的新型材料吸附性能的檢測方法,即結合宏觀方面的力學性能測試與細觀外貌特征的綜合表征方法,簡單易行,具有較強的工程應用性。

References)

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Aging test on adsorption properties of SEBS colloid material

Zhu Xinyu, Wang Weifeng, Li Baoguo, Liu Guochun

(School of Aviation Engineering, Civil Aviation Flight Institute of China, Guanghan 618307, China)

In order to analyze the influence of natural conditions on the adsorption properties of SEBS colloid material, this paper studies on the change state of the ultimate load of adsorption material under the aging condition of natural light, thermal oxidative at different temperatures and UV radiation, and proposes a concept of “the loss rate of the maximum load”,analyzes the changes of material from two aspects of the macro mechanical properties and micro morphology. It is found that the material is most affected by the temperature,and the loss rate of the maximum load can reach 48.9%. The adsorption capacity of the material is decreased quickly in the initial stage of aging and tends to be stable with the increase of the aging time gradually,but it still has a certain adsorption capacity at the moment. This study uses the comprehensive characterization method combined with the macro mechanical test and the microscopic features for the detection of the adsorption properties of material have a strong engineering application.

SEBS colloid material; aging condition; load loss rate; adsorption capacity; comprehensive characterization

2015- 05- 20 修改日期：2015- 07- 01

國家自然科學基金民航聯合基金(U1233202)資助項目

朱新宇(1969—)，男，河北滄州，碩士，教授，研究方向為飛行器故障診斷與預測、飛機電源系統設計與優化

E-mail：xyzhu@cafuc.edu.cn

王威風(1988—)，男，河南商丘，碩士生，研究方向為民用航空器維修理論與技術.

TB339

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1002-4956(2015)10- 0060- 04