引言

    眾所周知，高分子材料在使用過(guò)程中由于受到溫度、光照、雨水等環(huán)境因素的影響，會(huì)發(fā)生一定程度的老化，其外觀、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)等都會(huì)發(fā)生一定程度的變化，從而影響其使用性能。那么高分子材料究竟老化到了哪種程度，就需要我們采用適當(dāng)?shù)谋碚鞣椒ǎ瑢?duì)高分子材料的老化程度進(jìn)行表征。同樣，在我們進(jìn)行高分子材料老化試驗(yàn)的過(guò)程中，高分子材料的老化表征也至關(guān)重要，選擇恰當(dāng)?shù)谋碚魇侄闻c方法，對(duì)于老化試驗(yàn)的成敗起著關(guān)鍵的作用。高分子材料的表征方法有很多，如外觀表征，微觀表征，力學(xué)性能表征，熱分析技術(shù)表征以及電化學(xué)表征等等。

    外觀變化表征

    高分子材料在老化過(guò)程中，其外觀會(huì)發(fā)生某些明顯的變化，諸如顏色的變化、光澤度變化、發(fā)黏、脆化、變硬、粉化、起皮、褶皺、開裂、出現(xiàn)銀紋、污漬、斑點(diǎn)等，這些外觀的變化均可以作為評(píng)價(jià)高分子材料老化程度的方法之一。當(dāng)然，對(duì)于不同的高分子材料，這些外觀的變化也不盡相同。

    1 顏色的變化

    對(duì)于高分子塑料而言，顏色的變化是其發(fā)生老化的最為直接的依據(jù)。高分子塑料在使用過(guò)程中，由于受環(huán)境因素的影響，其表面會(huì)變黃，黃變程度可以用色差和黃色指數(shù)來(lái)表征，所以色差和黃色指數(shù)是表征高分子塑料老化程度的有效方法之一，如聚苯乙烯塑料，聚乙烯塑料、聚氨酯等等。其中色差和黃色指數(shù)可以通過(guò)色差儀進(jìn)行測(cè)量。

    2 脆化、變硬

    對(duì)于硫化橡膠而言，當(dāng)其受熱而發(fā)生熱老化現(xiàn)象后，其硬度會(huì)增加，對(duì)于某些高分子橡膠，當(dāng)其長(zhǎng)期在低溫、極寒或者是高低溫交變的環(huán)境下長(zhǎng)期使用，其脆性會(huì)增加，變得極易斷裂，所以硬度和脆性是表征這些橡膠老化程度的有效方法。其中硬度可以通過(guò)硬度計(jì)來(lái)測(cè)量。

    3 粉化和光澤度

    對(duì)于高分子有機(jī)涂層而言，當(dāng)其受到老化破壞以后，其表面的光澤度會(huì)逐漸下降，表面變得粗糙而失光，涂層中的某些基料便會(huì)出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。

   微觀表征

    高分子材料在老化的過(guò)程中，其微觀結(jié)構(gòu)，微觀形貌等都會(huì)發(fā)生一系列的變化，這些微觀的變化都可以作為高分子材料老化表征的有力手段。微觀表征主要有紅外光譜、紫外光譜、拉曼光譜、熒光光譜等光譜表征，核磁共振、電子順磁共振等波譜表征，凝膠色譜、氣相色譜等色譜表征以及掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等微觀形貌分析等表征方法。

    1 紅外光譜分析

    紅外光譜對(duì)于高分子材料結(jié)構(gòu)的表征具有重要作用，是分析高分子微觀結(jié)構(gòu)變化的有力手段。高分子材料在老化過(guò)程中，尤其是氧化降解過(guò)程中，其不飽和基團(tuán)等易氧化的基團(tuán)會(huì)發(fā)生氧化而轉(zhuǎn)化為羰基，羰基指數(shù)的變化常常作為高分子老化程度的表征方法之一，而羰基指數(shù)的變化便是基于紅外光譜的變化而得出的結(jié)論。紅外光譜法是高分子材料老化表征的常用方法之一。

    2 紫外光譜分析

    當(dāng)高分子吸收紫外光后，其電子能級(jí)會(huì)發(fā)生躍遷，從而產(chǎn)生紫外光譜，紫外光譜對(duì)于高分子共軛結(jié)構(gòu)的分析最為直接有效，借助紫外光譜可以判斷高分子材料分子結(jié)構(gòu)中是否產(chǎn)生共軛結(jié)構(gòu)，也可對(duì)高分子的老化程度進(jìn)行表征。

    3 核磁共振和電子順磁共振波譜分析

    在外加磁場(chǎng)下，具有磁矩的原子核，吸收射頻的能量后，核自轉(zhuǎn)能級(jí)發(fā)生躍遷產(chǎn)生核磁共振波普。高分子材料在老化過(guò)程中會(huì)發(fā)生降解而產(chǎn)生一些小分子的降解產(chǎn)物，核磁共振波普分析可以有效的對(duì)降解產(chǎn)物進(jìn)行分析和檢測(cè)。而電子順磁共振則是分子中未成對(duì)電子吸收射頻能量后而產(chǎn)生電子自旋能級(jí)躍遷，對(duì)于未成對(duì)電子結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義，是研究自由基引發(fā)的老化降解的有效手段。

    4 凝膠色譜分析

    高分子材料在發(fā)生老化的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生降解或交聯(lián)，其分子量及其分子量分布會(huì)發(fā)生一定的變化，采用凝膠色譜技術(shù)可以有效的對(duì)其分子量及分布進(jìn)行表征，也是評(píng)價(jià)高分子材料老化程度的有效方法之一。

    5 微觀形貌分析

    高分子材料在發(fā)生老化的過(guò)程中，其表面會(huì)發(fā)生一系列的變化，如起泡、褶皺、出現(xiàn)裂紋，變得粗糙等微小的變化，這些用肉眼看不出來(lái)的變化，便可以借助掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等微觀形貌分析技術(shù)進(jìn)行表征，微觀形貌分析是表征高分子材料老化的重要方法。

    力學(xué)性能表征

    高分子材料在使用過(guò)程中，由于受到各種環(huán)境因素的影響而發(fā)生老化，其力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生一定的變化，如抗張強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、定伸變形、可塑性能、伸長(zhǎng)率、應(yīng)力松弛、蠕變性能等。當(dāng)然，對(duì)于不同的高分子材料，這些力學(xué)性能的變化也不盡相同，表征其老化程度所使用的參數(shù)也有所不同。比如，對(duì)于高分子膠黏劑而言，剪切強(qiáng)度常常作為其表征量，而對(duì)于高分子塑料則常常采用抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等來(lái)表征其老化程度。使用力學(xué)性能的變化來(lái)表征高分子材料的老化時(shí)，一定要根據(jù)材料的性質(zhì)以及試驗(yàn)的目的來(lái)選擇合適的表征量。

    熱分析技術(shù)表征

    表征高分子材料老化程度的熱分析技術(shù)主要有，熱重分析（TG）、示差掃描量熱法（DSC）、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）等，熱分析技術(shù)已經(jīng)成為高分子材料老化表征常用方法之一。

    1 熱重分析法

    熱重分析法是在程序控溫下測(cè)量樣品的質(zhì)量隨時(shí)間或溫度變化的一種測(cè)試方法，對(duì)于高分子材料的失重溫度以及揮發(fā)性產(chǎn)物的測(cè)試具有一定的幫助。通過(guò)測(cè)試高分子材料老化前后樣品的熱重曲線，可以通過(guò)高分子的熱失重情況來(lái)判斷高分子材料的耐老化性能。通常熱重曲線的測(cè)量均是在氮?dú)獾榷栊詺怏w保護(hù)下進(jìn)行的，以防空氣對(duì)測(cè)量結(jié)果有所干擾。

    2 示差量熱掃描法

    示差掃描量熱法是在同一控溫環(huán)境下，保持樣品與參比物溫差為零時(shí)所需能量隨環(huán)境溫度或時(shí)間的變化，對(duì)于高分子材料熱轉(zhuǎn)變溫度以及各種熱效應(yīng)具有一定的幫助。如胡昕將熱重分析法與示差掃描量熱法聯(lián)合使用，表征了氯化聚乙烯防水卷材的熱老化行為，取得了很好的效果。

    3 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析

    動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析是在程序控溫條件下，對(duì)在振動(dòng)負(fù)荷下的測(cè)量樣品的動(dòng)態(tài)模量和力學(xué)損耗與溫度之間的關(guān)系的一種測(cè)試方法。其測(cè)量方式有很多，可以進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以及彎曲試驗(yàn)等等。動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析也是表征高分子材料老化行為的方法之一。

    電化學(xué)表征

    電化學(xué)表征技術(shù)主要用于高分子涂層的老化性能的表征，主要有電化學(xué)交流阻抗技術(shù)（EIS）、電化學(xué)噪聲技術(shù)（ENM）以及掃描開爾文探頭技術(shù)等，這些電化學(xué)表征技術(shù)都是對(duì)高分子涂層老化性能進(jìn)行表征的有效手段。其中EIS技術(shù)是通過(guò)對(duì)涂層體系阻抗的變化來(lái)評(píng)價(jià)涂層性能的一種方法；ENM技術(shù)是通過(guò)對(duì)涂層電化學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)非平衡波動(dòng)狀態(tài)的研究來(lái)評(píng)價(jià)涂層性能的有效方法；掃描開爾文探頭技術(shù)則克服了傳統(tǒng)電化學(xué)表征技術(shù)的缺陷，在涂層老化降解以及失效機(jī)理等方面的研究表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。電化學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為了對(duì)有機(jī)涂層老化性能進(jìn)行表征的有力手段[3]。

    結(jié)束語(yǔ)

    隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，不斷研究并將新的技術(shù)用于高分子材料老化的表征，以獲得最為有效的老化信息，對(duì)高分子材料的老化行為進(jìn)行準(zhǔn)確有效的檢測(cè)是高分子材料老化表征技術(shù)應(yīng)該不斷發(fā)展和探索的方向。

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責(zé)任編輯：王元

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