尼高力红外通讯 第2期 丨一个全新、快速的材料稳定性及老化评价方法

背景

众所周知，1986年，挑战者号航天飞机发射仅仅几十秒钟，7名宇航员葬身火海，这本该是它的最 后一次飞行，也就是挑战者号5年内的第十次飞行。事故触目惊心！大爆炸的原由竟然是航天飞机的助推火箭上一个“O型”密封圈老化失效！

事实上这只是材料老化造成危害的、比较有影响的众多案例之一。高分子材料在储存和使用过程中由于老化现象丧失使用价值引发灾难的例子比比皆是，引起老化的原因有很多，其中光、热、氧、湿是最主要的四大外因。高分子材料老化稳定性评价作为材料科学领域的分支引起广泛重视。

高分子材料老化稳定性评价最接近材料真实状态的是自然老化，即将材料置于真实自然环境，定期检测记录材料性能，该方法的优点是准确评价材料的老化性能，缺点是耗时太长，一般需要2~5年时间，有的甚至需要耗费十年以上更长时间。对于科技高速发展的今天，仅有该方法是完全不能满足老化评价的需求的。

近代为了提高高分子材料稳定性评价的效率，人们首先在加速老化设备中进行长达几百~几千小时的加速老化，然后定期取样，进行各种结构和性能分析，模拟自然老化。该方法的优点是耗时远远少于自然老化，但仍然需要几百至几千小时，对新产品研发过程中的老化评价，该时间仍然太长。同时，不能实现对材料的原位老化评价，样品用量大，费用高昂，还不能实现光/热/氧/湿等多种因素的自由耦合条件下的老化稳定性评定。

用户案例：清华大学创新的技术方案

清华大学高分子研究所长期从事高分子材料及相关应用方面的科研工作。经过十多年的研究完善，创新的通过测定材料老化早期产生的痕量气相降解产物、或挥发物质，建立与高分子材料老化稳定性相关的数学模型，实现高灵敏度、原位、快速检测。并与企业合作、成功实现“StablEval-30高分子材料稳定性快速原位老化综合评价系统”的商品化。

该系统基于 Thermo Scientific™ Nicolet™傅里叶变换红外光谱仪，配置自主研发的原位反应池，将高分子材料密闭在气氛(空气、氧气、氮气等)可控的反应池中，并且对样品环境(光、温度、湿度等)进行模拟控制，促使高分子材料产生降解物，或挥发性物质挥发。通过测定降解物或挥发性物质来反映其稳定性，实现高灵敏度的原位快速检测。以降解产物CO2为例检测灵敏度高达1 ppm，检测时间仅需一天。

该系统主要功能：

1、材料稳定性评价:通过比较不同材料的降解或挥发性产物的产生速率，比较材料的稳定性好坏。

2、材料老化状态判定: 根据材料的降解或挥发性产物的产生速率区分不同老化状态的材料。测定结果与加速老化后的材料的力学性能变化有良好的相关性。

3、高分子材料老化反应动力学:通过测定材料不同温度下的老化速率，进行老化反应动力学研究。

4、环境因素敏感性分析:实现光/热/氧/湿/气氛等不同条件组合下的老化测定，进行环境因素的敏感性分析。

StablEval-30应用举例

材料稳定性评价：

通过比较不同材料的降解产物的产生速率，可以很方便地比较材料的稳定性好坏。

例：LDPE膜

条件：光/氧/湿

测试时长：3h

评价指标：CO2（降解产物）峰强

结果： TiO2可显著降低LDPE的稳定性，LDPE稳定性随TiO2添加量增大而下降。抗氧剂Irganox使得LDPE的稳定性略有增加。

材料老化状态判定：

可以很方便地区分不同老化状态的材料。测定结果与加速老化后材料的力学性能变化有良好的相关性。

例：125℃热烘箱中加速老化不同时间的丁 腈橡胶密封圈。

条件：热/氧

测试时长：7h

评价指标：某种添加剂峰强（曲线右侧标注的是样品的加速老化时间）

结果：不同老化状态（加速老化时间）的丁 腈橡胶样品有很好的区分度。对于不同加速老化时间的丁 腈橡胶，其峰强与力学性能有良好的相关性。

高分子材料老化反应动力学：

通过测定材料不同温度下的老化速率，可以很方便地进行老化反应动力学研究。

环境因素敏感性分析：

可以很方便地实现光/热/氧/湿/气氛等不同条件组合下的老化测定，进行环境因素的敏感性分析。

例：同样的LDPE膜在光/热/氧/湿（RH100%）条件下，CO2生成速率的对数与1/T不再符合Arrhenius线性关系，高温段活化能为23.9kJ/mol，低温段活化能为5.7kJ/mol。表明在有湿度存在的条件下，样品的老化机理发生了变化。

综上所述，新型的StablEval-30高分子材料稳定性快速原位老化综合评价系统可以极大提高高分子材料稳定性及老化评价的效率。并且，一旦建立模型，方便程度也得到极大提高。将是高分子材料稳定性及老化评价相关研究的利器。