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技術(shù)文章

塑料、橡膠耐候性測試:為何必須用高低溫拉力機模擬環(huán)境應(yīng)力呢?

點擊次數(shù):95 發(fā)布時間:2025-7-17

塑料和橡膠作為廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、汽車配件、電子封裝等領(lǐng)域的高分子材料,其使用壽命與耐候性直接關(guān)聯(lián)。在自然環(huán)境中,材料會持續(xù)受到溫度波動、光照輻射、濕度變化等因素的侵蝕,導致分子結(jié)構(gòu)降解、力學性能衰減,最終出現(xiàn)開裂、硬化、斷裂等失效現(xiàn)象。而耐候性測試的核心,就是通過模擬環(huán)境應(yīng)力,提前評估材料在長期使用中的穩(wěn)定性。在眾多測試設(shè)備中,高低溫拉力機憑借其技術(shù)優(yōu)勢,成為塑料、橡膠耐候性測試的工具。

一、自然環(huán)境應(yīng)力對塑料、橡膠的破壞機制

塑料和橡膠的老化失效,本質(zhì)是環(huán)境應(yīng)力引發(fā)的分子結(jié)構(gòu)變化。以汽車密封條(EPDM 橡膠)和戶外塑料管道(PE 材料)為例,其面臨的典型環(huán)境應(yīng)力包括:

溫度交變應(yīng)力:夏季暴曬時表面溫度可達 70℃,冬季低溫降至 - 30℃,晝夜溫差可能超過 50℃。這種劇烈的溫度變化會導致材料熱脹冷縮,內(nèi)部產(chǎn)生周期性應(yīng)力,使分子鏈斷裂或交聯(lián)密度下降。

持續(xù)高低溫應(yīng)力:熱帶地區(qū)長期高溫(40℃以上)會加速橡膠的氧化反應(yīng),導致彈性體變硬;寒帶地區(qū)長期低溫(-20℃以下)則會使塑料脆化,沖擊強度下降 50% 以上。

機械應(yīng)力與環(huán)境協(xié)同作用:材料在使用中往往同時承受拉伸、彎曲等機械力,例如門窗密封條的擠壓變形、電纜絕緣層的拉伸應(yīng)力。在高低溫環(huán)境下,機械應(yīng)力會放大分子鏈的損傷 —— 低溫下塑料的抗拉伸能力下降,若同時承受固定載荷,開裂風險會增加 3 倍以上。

這些復雜的環(huán)境應(yīng)力并非孤立作用,而是相互疊加的 “協(xié)同效應(yīng)"。例如,高溫會加速橡膠的氧化,而氧化后的材料在低溫拉伸時更易斷裂;紫外線輻射導致的分子鏈降解,會使塑料在溫度交變中更快出現(xiàn)裂紋。因此,耐候性測試必須模擬這種 “溫度 + 機械應(yīng)力" 的復合環(huán)境,才能真實反映材料的使用壽命。

二、高低溫拉力機的優(yōu)勢:精準復現(xiàn)復合環(huán)境應(yīng)力

普通拉力機僅能在常溫下測試材料的力學性能,而高低溫拉力機通過集成環(huán)境箱、精準溫控系統(tǒng)與動態(tài)力學測試功能,實現(xiàn)了對自然環(huán)境應(yīng)力的科學模擬。其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面:

1. 溫度控制的寬域性與精準性

高低溫拉力機的環(huán)境箱溫度范圍通常覆蓋 - 70℃至 200℃,可精準模擬極地、沙漠、高原等氣候。例如:

測試汽車發(fā)動機艙內(nèi)的塑料部件時,可設(shè)定 150℃高溫持續(xù)拉伸,模擬長期受熱后的抗蠕變性能;

評估寒區(qū)電纜護套(PVC 材料)時,能在 - 40℃低溫下進行拉伸 - 松弛循環(huán)測試,驗證材料的低溫彈性保持率。

其溫度控制精度可達 ±0.5℃,溫度波動≤±1℃,確保測試條件的穩(wěn)定性 —— 這是普通烘箱 + 常溫拉力機的組合無法實現(xiàn)的(烘箱內(nèi)溫度均勻性通常僅 ±3℃)。

2. 實現(xiàn) “溫度 - 力學應(yīng)力" 的同步加載

高低溫拉力機的核心價值在于將溫度環(huán)境與機械應(yīng)力測試無縫結(jié)合。例如:

高低溫拉伸測試:在 - 40℃至 80℃范圍內(nèi),按 5℃/min 的速率升溫,同時施加恒定拉伸載荷(如 50% 屈服強度),記錄材料在不同溫度下的形變率,評估其熱機械穩(wěn)定性。

溫度交變循環(huán)測試:在 - 30℃(保持 2h)與 60℃(保持 2h)之間循環(huán) 100 次,每次循環(huán)后測試材料的斷裂伸長率。這種測試可模擬材料在 5 年戶外使用后的性能衰減,而自然暴露試驗則需要至少 2 年時間。

動態(tài)疲勞測試:在高溫(80℃)下對橡膠試樣進行 10 萬次拉伸 - 壓縮循環(huán)(振幅 ±5mm),模擬密封條在車門反復開關(guān)中的老化,評估其抗疲勞壽命。

這些測試場景中,溫度變化與機械應(yīng)力加載是同步進行的,精準復現(xiàn)了材料在實際使用中的受力狀態(tài)。而若采用 “先高溫處理再常溫測試" 的方式,會錯過溫度與應(yīng)力的協(xié)同作用,導致測試結(jié)果偏差達 40% 以上。

3. 捕捉材料在環(huán)境下的力學性能轉(zhuǎn)折點

塑料和橡膠的力學性能在特定溫度下會出現(xiàn)突變(如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg、熔融溫度 Tm)。例如:

PP 塑料的 Tg 約為 - 10℃,在 - 20℃時沖擊強度會驟降 70%,高低溫拉力機可在降溫過程中實時監(jiān)測拉伸強度變化,精準定位脆化溫度。

EPDM 橡膠的 Tg 約為 - 68℃,在 - 40℃時仍保持彈性,但在動態(tài)拉伸測試中,若溫度降至 - 50℃,其回彈率會從 80% 降至 30%,這種臨界狀態(tài)只有通過高低溫拉力機才能捕捉。

這些轉(zhuǎn)折點直接決定了材料的使用溫度上限或下限,是耐候性評估的核心指標。

三、不用高低溫拉力機的測試局限性

若采用簡易方法替代高低溫拉力機,會導致測試數(shù)據(jù)失真,無法指導材料選型:

常溫拉力機 + 烘箱 / 冰箱:這種 “分步測試" 方式無法模擬溫度變化過程中的應(yīng)力作用。例如,將橡膠在 100℃烘箱中老化后,常溫測試其拉伸強度,會低估材料在高溫下的實時性能衰減(高溫下橡膠的拉伸強度可能比常溫低 30%)。

僅做靜態(tài)高低溫存放試驗:不施加機械應(yīng)力的測試無法評估材料的抗疲勞能力。例如,戶外塑料板材在溫度交變中若不承受風壓等載荷,可能 30 年無明顯變化,但實際使用中因持續(xù)彎曲應(yīng)力,10 年就會出現(xiàn)裂紋。

單一溫度點測試:忽略了溫度梯度的影響。例如,汽車保險杠(PP+EPDM 合金)在 - 30℃至 60℃的拉伸強度差異可達 2 倍,僅測試常溫性能會導致冬季脆化風險被低估。

四、行業(yè)標準對高低溫拉力測試的強制要求

在塑料、橡膠的耐候性測試標準中,高低溫拉力機的使用是明確要求的:

ISO 899-2(塑料蠕變測試)規(guī)定,在評估材料長期載荷下的形變時,必須在 - 40℃至 150℃范圍內(nèi)進行溫度梯度測試。

ASTM D882(塑料拉伸性能測試)要求,對于戶外用塑料,需在 - 30℃、23℃、80℃三個溫度點進行拉伸對比試驗。

GB/T 1690(硫化橡膠耐液體試驗方法)指出,在評估燃油對橡膠的侵蝕時,需在 120℃(模擬發(fā)動機艙溫度)下同時進行拉伸測試,而非僅做常溫浸泡。

這些標準的核心邏輯在于:材料的耐候性不僅是 “耐環(huán)境老化",更是 “在環(huán)境老化后仍能保持力學性能"。而高低溫拉力機能同時驗證這兩點的設(shè)備。



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