塑料零部件老化測試：為什麼您比以往任何時候都更加需要它？

塑料零部件的耐候老化測試正在成為阻止潛在產品故障的關鍵步驟。隨著OEM 越來越多地求助於處理器進行設計和材料選擇，服務中老化故障的責任也正在沿著供應鏈向下傳遞。在汽車塑料中尤其如此。原始設備製造商、加工商、配混商和添加劑供應商之間通常沒有充分溝通產品將麵臨的服務環境。誤解產品的使用方式或使用地點是產品失敗的根源。

製造商麵臨著提高產品性能並同時降低成本的壓力。他們正在轉向新材料和添加劑作為潛在的解決方案。但是在沒有充分測試的情況下引入這些未知因素有助於解釋為什麼與老化相關的故障發生率正在上升。

精心策劃的老化測試計劃可以提前識別這些風險。不幸的是，許多加工商及其客戶對如何測試耐候性並不了解。

為什麼塑料製品會失敗

塑料製品不合格的主要原因有三個：

· 糟糕的設計，包括不適合最終使用環境的材料配方。

· 在設計標準之外使用產品。

· 影響性能的工藝或材料變更。

失敗可能意味著顏色和外觀發生變化，例如變黃、褪色、變色或失去光澤。對於其他產品，故障是根據機械完整性和物理性能來定義的，例如洗衣機中的尼龍齒輪變脆和破裂。

客戶希望他們的塑料產品在預期的大部分使用壽命內都表現良好且外觀良好。但是，由客戶來定義外觀變化何時會導致產品“失敗”。

塑料材料耐久性測試失敗的新因素

塑料材料和產品正在被引入可能尚未設計或測試的全球市場。最大的交通管製產品製造商之一將用於戶外測試的樣本發送到其他國家，測試產品對當地環境的特有敏感性，從而預測產品在該地的耐久性。

新聚合物、傳統聚合物的變體（如茂金屬等級）以及新的共聚物共混物和合金因其成本性能或加工優勢而受到積極推銷。然而，這些新材料的耐久性仍然是一個問號，沒有經過充分的測試。同樣，基於新型有機顏料和顏料混合物的新型著色劑係統正在取代基於重金屬的著色劑。這些新的著色劑可能具有意想不到的顏色穩定性和耐光性問題。 

在一個真實案例中，有色塑料家具零部件在短時間暴露於透過窗玻璃進入的陽光下後顯示出嚴重的褪色和色相變化。著色劑由無機白色和黑色顏料以及有機紅色、藍色和黃色組成。該產品首先表現出整體褪色，然後隨著有機著色劑以不同的速率失去飽和度，色調變為棕褐色，然後變為綠色。

室內紫外線照射可能並不總是被認為是一個重要的退化因素。在聚丙烯熒光燈裝置的情況下證明了這一點，由於來自相鄰燈的紫外線照射，該裝置變色並變得白堊和易碎。

許多新的著色劑主要是帶有聚合物載體的濃縮物，將此載體添加到其他基礎聚合物中會影響係統的耐候性能。此外，在載體中穩定的顏料在基礎聚合物中可能不那麼穩定。對於硬質和增塑 PVC尤其如此，其中許多顏料與 PVC 在戶外逐漸脫氯化氫引起的高酸度不相容。

來自同一供應商的不同工廠甚至不同反應器的“相同規格”樹脂在交聯、分子量分布、側鏈支化或顆粒大小方麵可能不同。所有這些都會影響加工和耐候老化性能。對於聚丙烯等半結晶聚合物來說尤其如此。在一種情況下，好產品和壞產品批次之間先進明顯的區別是樹脂中鈣含量的可測量增加。經調查，確定這發生在樹脂供應商開始從不同工廠發貨時，鈣的差異歸因於造粒操作中使用的當地供水。這種變化影響了樹脂的耐候性。

填料和其他散裝添加劑經常以價格購買，但當非技術買家為了節省一分錢而更換供應商或等級時，他們可能會損害產品性能。例如，滑石可以吸收HALS紫外線穩定劑並降低其有效性。並且各種二氧化矽填料中的金屬含量會催化PP 的降解，除非它足夠穩定。

穩定劑還是“不穩定劑”？

從某種意義上說，所有聚合物添加劑都可以被認為是汙染物。盡管它們具有積極的價值，但它們也可能具有不良的副作用。例如，二氧化鈦用於保護硬質乙烯基等樹脂免受紫外線傷害。然而，眾所周知，二氧化鈦在存在紫外線和水分的情況下會導致聚合物降解，從而導致乙烯基壁板和門窗型材的粉化。幸運的是，可以通過使用具有適當表麵塗層的耐候性二氧化鈦來避免粉化。

炭黑是另一種常添加用於防紫外線的顏料。然而，炭黑有許多等級和形式。其中一些具有更高水平的表麵官能團，可以吸附抗氧化劑，從而降低而不是提高整體穩定性。

通常添加金屬螯合物如硬脂酸鈣和硬脂酸鋅作為加工穩定劑。然而，它們可能對其他添加劑產生拮抗作用，例如受阻胺光穩定劑 (HALS)。結果會降低耐候性。

受阻酚類抗氧化劑作為加工穩定劑添加到許多聚合物中。但是，它們可能會在產品使用壽命期間與大氣中的氮氧化物發生反應，從而產生泛黃或粉紅色。需要輔助穩定劑來盡量減少這種“氣體褪色”問題。

當材料暴露在過高的溫度下時，這種效果會更加突出。例如，一家野餐冰櫃製造商發現它的倉庫裏裝滿了冷卻器，白色PVC內襯出現粉紅色斑點。問題是倉庫在夏天達到了100華氏度的溫度。汽車TPO的過熱加工經常會遇到類似的顏色問題。 

塑料耐用性老化測試

提交產品進行耐候測試的另一個原因是確保不正確的處理不會影響使用中的耐用性。在過高溫度下加工的乙烯基壁板過早變黃隻是一個例子。許多產品故障可追溯到諸如提高成型溫度以處理“困難”批次的樹脂或提高擠出機速度和模頭溫度以提高產量等做法。這些步驟通過引發自由基氧化和自催化降解機製、消耗抗氧化劑並使聚合物對紫外線攻擊敏感，對聚合物產生負麵影響。

測試還可以驗證二次加工程序。例如，聚碳酸酯汽車前照燈罩需要硬塗層以防止劃傷和紫外線引起的泛黃。但是，塗裝不當的硬塗層會在暴露於天氣後分層。

在配製產品以提高使用壽命時，可能會忽略二次加工可能產生的有害影響。在一個案例中，注塑成型的PVC車庫門製造商使用了一種經過驗證的化合物，並對成型操作進行了嚴格控製。然而，門段具有通過超聲波對接焊接的斜接角。盡管PVC在初始加工和正常老化時是穩定的，但焊接過程會導致對接接頭的熱降解，導致在戶外暴露時嚴重泛黃和開裂。

許多塑料都經過塗層處理以提高性能或外觀特性。這些塗層有時會對塑料產生負麵影響，例如增加泛黃。例如，新的高爾夫球通常具有防滑塗層以較大程度地減少空氣阻力，但該塗層可能會導致塑料基材變色。

如何規避風險？

將產品設計成故障安全型或測試所有可能性都是不可行的。然而，影響產品耐用性的可識別變量通常有限。因此，材料生產商和加工商應謹慎進行基本設計實驗，以衡量產品對配方、加工和環境因素的敏感性。統計設計的實驗比“測試它，看看會發生什麼”的方法更有效率和成本效益。

即使是適度的耐久性測試計劃通常也可以通過降低保修成本並允許加工商優化配方和加工方法而不影響產品的耐候性來收回成本。

如果不進行測試，樹脂、添加劑或加工的變化可能會導致耐候性能出現令人不快的意外。