《高分子材料加工实验》 实验十二 塑料的热老化实验 一、目的和要求 1、掌握热老化实验方法： 2、学会在较短时间内评定材料对高温的适应性。 二、实验原理 研究老化的方法很多，最好是按实际老化的情况，把试样放在不通风的黑暗地方使其 不受外力或仿照使用条件，在使用的介质条件和受力条件下长期存放观察其结果，但由于时 间较长，需数年之久，故实际用途不大。可模拟使用条件加速其老化，在较短的时间内观察 其性能的变化。 在实验室里普遍使用热老化、臭氧老化、大气老化、光老化、湿热老化等测试，但迄 今仍没有一种方法可以完全代表实验老化结果。通过这些测定可以近似了解材料的抗老化性 能，对应用具有重要参考价值，故不可缺少。由于条件所限，仅做热空气老化实验。将塑料 试样置于给定条件（温度、风速、换气率等）的热老化试验箱中，使其经受热和氧的加速老化 作用。通过检测暴露前后性能的变化，以评定塑料的耐热老化性能。 高分子材料的热老化是在热空气介质中进行，受到热及氧的作用。氧使高分子发生游离 基的连锁反应，在双键处使分子链断裂，引起高分子材料的性能改变：热使高分子材料引起 热裂解或热交联，同时提高了氧扩散速度和活化氧化反应，从而加速了高分子材料的热氧老 化。 如何表示和比较老化性能或衡量防老剂的效率，可根据实验的性质和要求进行选择，一 般都采用老化前后高分子材料物理机械性能变化的比值来表征耐老化程度的大小。 1、抗张积老化系数K,为老化前后抗张积之比。 K =Z2/Z 其抗张积可按下式求取： Z=08 2、拉伸强度老化系数K,为老化前后拉伸强度之比。 Kg=02/01 3、扯断伸长率老化系数K,占为老化前后扯断伸长率之比。 Ks=82/8 4、定伸强度老化系数K。为老化前后定伸强度之比。 Kp =08.106 三、仪器、设备和试样 1、仪器、设备 热空气老化箱的结构如图1所示，它是一个电热鼓风恒温箱。 主要由箱体，鼓风装置、加热调温自动控制装置和试样转动架等组成。试样放在转轴架 10上，由转盘马达8通过皮带轮、蜗轮、蜗杆、带动，箱底部有电热丝2作热源，加热调 温可自动控制，鼓风机7迫使热空气流动，使箱内温度均匀，温度计13由箱顶部插入到试 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加工实验》 13 样架附近。 2、试样 (1)试样为哑铃状，其形状符合 GB5228-82规定，A型为通用型，B型用于A 型试样扯断力低于试验机满负荷15%的胶 料，C型用于硅氟等特种胶料（见拉伸强度实 验图所示尺寸)。 (2)每种实验样品数量不得少于10个， 其中5个测其老化前的拉伸强度、定伸、伸 长率，其余5个试样做老化实验。 四、实验步骤 可回回回 1、开动鼓风机把老化箱调至所需之温度， 当温度稳定后，把进行老化实验的试样用夹 子挂在老化箱内转动盘上，每两个试样间距 不小于5mm,试样与箱壁距离不得小于 图1热老化箱结构 50mm。 1一进线口：2一电热丝：3一风道：4一底板：5一开 2、关上老化箱的两个门，开动转动盘马达， 孔隔板：6一保温层：T一鼓风机：8一转盘马达：9 即开始计算老化时间，到达规定老化时间 一温度控制感温杆：10一试样转盘：11一超低温控 时，立即停转马达，取出试样。 制导电计：12一超高温控制导电计：13一温度计： 3、取出试样，在实验室的温度下停放4h, 14一排风风道与排气阀 印标线和测量厚度，然后按GB5228-83实验 标准测其拉伸强度、定伸、伸长率，试样停放时间不得超过96h。 五、实验记录与处理 1、把老化前后的试样在拉力试验机上所测得的数据填在下表内，测定值取小数点后一位。 2、计算 (1)抗张积老化系数K K =Z2/Z Z1=016;Z2=0262 (2)拉伸强度老化系数K。 Kg=021o1 (3)扯断伸长率老化系数K Kg=82/81 (4)定伸强度老化系数K Kp=06106 3、老化系数取值，精确到小数点两位。 老化实验数据表 8: 82 0, 02 0 2 2 2 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加上实验》 3 3 3 4 4 4 个 6 中值 中值 中值 六、实验注意事项 1、老化箱内温差对实验结果的影响老化系数随温度的升高而减小，当老化温度为100℃ 时，若温差为2℃，老化系数相差达15%。因此在热老化实验中，应尽可能使箱内各处温度 分布均匀，并使用灵敏、精确度高的温度控制装置，使温度波动范围尽量缩小。另外要使试 样架能转动，使每一片试样所受温度作用机会趋于一致，从而减小实验误差。 2、实验温度的选择若温度选取过高，固然可以加速试样老化，缩短实验时间，但热分 解的可能性和配合剂的迁移、挥发都会有所增加，可能使反应过程与实际情况不符。反之， 若温度选取过低，老化速度缓慢，实验时间过长，不能满足测试的需要。应在不改变老化机 理的前提下，尽可能提高实验温度，以期在较短的时间内获得可靠的实验结果。通常选取的 温度上限：对热塑性塑料应低于软化点；热固性塑料应低于其热变形温度：易分解的塑料应 低于其分解温度。温度下限：采用比实际使用温度高约20~40℃。对天然胶，一般取50一 100℃：合成胶，一般取50~150℃：特种胶，如丁腈可用70一150℃：硅氟胶可用200一300℃， 总之，可根据实验目的具体确定。 3、试样数量如果实验箱内所装试样数量太多，会影响箱内空气流动，导致箱内温度 分布不均，挥发物不能完全被空气带走，使配合剂有转移的可能，影响实验结果。实验证明， 实验箱的容积与试样体积之比不小于39：1时，上述影响很小。 4、不同型号的老化箱实验结果出入较大由于箱内容积不同，箱壁两侧孔的分布和孔径 不同，底板有无开孔，鼓风情况不同，都会影响温度在箱内分布不均。虽然箱上温度计指示 可能相同，但各箱各部分温差出入较大，因此，要注意到不同型号老化箱，同一实验品，实 验结果会有偏差。 5、试样老化后停放时间老化后试样停放时间长短，对实验结果是有影响的。如不耐老 化的天然胶，顺丁胶并用配方，老化后停放1d之内。其测试结果变化较大：如停放1~14 d变化较小；如14d之后再测试，性能又有所降低。因此实验规定停放时间在4~96h以 内，一般认为停放1d后测试较合适。 6、空气流速鼓风作用在于使箱内温度均匀，排除老化过程中产生的挥发物补充新鲜空 气，使空气成分保持一致。空气流速大，老化较快，要选择适当的风速或风量才能获得重现 性较好的结果。如流速太大，会使箱内温度难于控制，一般流速可通过排风门加以调整。 7、老化箱内温度波动范围的检查 在老化箱实验区域内，在不同部位安装热电偶3~4根，将各热电偶引线引出箱外，接 入测量仪表，检测各点温度，使各点温度差波动范围在50~100℃范围时为±0.5℃：101~ 200℃范围时为±1℃。 七、思考题 1、材料的热老化性能对塑料的贮存、加工和使用有什么影响？如何可以提高材料的热老 化性能？ 2、实验中试验箱内的温度、鼓风对试样的热老化性能有何影响？为什么？ This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加上实验》 实验十三 氧指数的测定 一、目的和要求 1、了解高分子材料氧指数测定的基本原理。 2、掌握高分子材料氧指数测定的方法。 二、实验原理 氧指数指在规定实验条件下维持垂直小试样燃烧的最低的与氮混合的氧气浓度，用L0工 表示。本实验将高分子材料试样置于专用燃烧室中，通过气体测量和控制装置，测定进入燃 烧室内维持高分子材料试样燃烧的氧气和氮气的体积流量，计算出混合气体中最低的氧气浓 度。 三、仪器、设备和材料 1、仪器、设备 (1)氧指数测定仪 其工作原理示意图见图1。 试样 氮气接口 试样夹 氧气接口 02 02W2N2 尼龙管连接 图1氧指数测定仪示意图 (2)实验燃烧筒是一根耐热玻璃管。垂直固定于可通入含氧混合气体的基座上。推 荐的燃烧筒为最低高度450mm,最小直径75mm的圆管。其顶部出口必须按需要用一个有足 够小出口的顶盖来限流，以便燃烧筒内30mm/s的气体能产生流速至少为90mm/s的排出速度。 如果证明能得到相同的结果，也可使用其他尺寸的有或没有限流出口的燃烧筒。 燃烧筒的底部或支持燃烧筒的基座上，须安装使进入燃烧筒的混合气体分布均匀的装 置。推荐的装置是一层厚80~100mm的直径3~5mm的玻璃珠。如果实验证明能得到相同的 结果，亦可使用其他的装置，例如经向集流腔。可在低于试样夹的水平上固定一块多孔隔网， 以防止下落燃烧碎片阻塞气体入口和配气通路。 燃烧筒支座应安装有水平调整器和指示器，以便使圆筒和安在其中的试样垂直对中。为 了便于观察燃烧筒内的火焰，可以安一个深暗色的背景。 (3)试样夹 用于在燃烧筒中心垂直固定试样。 对于自撑材料，试样可用一个小夹子夹住，夹持处至少与燃烧范围可能烧到的最近的一 点相距为15mm。试样可能持续燃烧的长度由材料断标准估算。对于薄膜和薄片试样，应该 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加上实验》 用框架中的两个垂直边共同固定，垂直边上在低于框顶100mm和20mm处划有参照标记。 夹子和它的支柱的轮廓应平滑，尽可能避免挑动上升气流。 (4)气源应采用纯度不低于98%(m/m)的压缩氧气和/或氮气和/或清洁的空气（含氧 20.9%)作为气源。 除非已经证明结果对混合气体内较高的湿度是不敏感的，进入燃烧筒的混合气体的湿含 量应<0.1%(m/m)。气体供给系统应装有干燥装置，或装有检查供气湿含量的监测装置或取 样装置，除非已知供气的湿含量是合格的。 混合气供应管线连接的方式应使各种气体在进入燃烧筒底座的配气装置以前充分地混 合，使燃烧筒内低于试样水平面的混合上升气流中的氧浓度的变化<0.2%(v/v)。 (⑤)气体测量和控制装置在确定进入燃烧筒的混合气体的氧浓度时，应以混合气体 准确度为±0.5%(v/v)为限。并且，当通过燃烧筒的气体温度为(23±2)℃，速度为(40± 10)mm/s时，应以混合气体精密度为士0.1%(v/v)来调节此时的氧浓度。 必须装备检测和确保进入燃烧筒的混合气体的温度是(23士2)℃的装置。该装置中有一 个插入筒内的探头，探头位置和外形的设计应使探头对燃烧筒内气体的扰动程度减到最低。 (6)点火器由一根管子构成。它能插入燃烧筒并从直径为(2士1)mm的尾端出口点燃试 样。火焰的燃料必须是未混有空气的丙烷。当管子垂直插在燃烧筒内并在燃烧筒内大气中燃 起火焰时，应调节燃料供量，使火焰垂直向下伸出出口(16±4)mm。 (7)计时装置能以士0.2s的准确度测量5min以内的时间。 (⑧)排烟系统应能充分的通风或排风，排除燃烧筒中的烟尘或灰粒。但不干扰燃烧筒中 的温度和气流速率。 2、原材料试样 (1)试样的尺寸和制备根据材料相应的标准和制备试样的I$0方法所规定的程序，模 塑或切割出符合表1所列最宜试样型式规定尺寸的试样。 试样表面清洁和无有影响燃烧行为的缺陷，例如模塑周边溢料或机加工毛刺。要注意试 样与样品材料中某种不均匀性有关的位置和方位。 所取样品应至少能制备15根试样。 本次实验试样是采用热塑性塑料模压成型实验方法中制备的厚度为(3士0.5)mm的PVC 板材，经机械加工而成。 (2)试样的标线为了检测试样烧过的距离，可根据试样的形式和所用的点火程序， 在一个水平上或多个水平上画上横向标线。制成高分子材料试样最好至少在相邻的两面都画 上标线。试样型号及尺寸见表1。 四、实验步骤 1、实验仪器的环境温度保持在(23±2)℃。必要时将试样放在维持在(23±2)℃和(50士 5)%I的密封箱内，使用时从中取出。 2、选择所要使用的初始氧浓度。可能时，可用相似材料实验结果为根据。或者，试着在 空气里燃点试样，注意其燃烧行为。如果试样迅速燃烧，则初始氧浓度选为18%左右：如 果试样缓慢燃烧或时断时续，初始氧浓度选为21%左右：如果试样在空气里不连续燃烧， 则依据其在空气里熄灭前的燃烧时间或燃点的困难程度，初始氧浓度至少选为25%。 3、保证实验燃烧筒垂直（见图1）。将试样垂直地安放在燃烧筒的中心。其顶端低于燃烧筒 开口顶端至少100mm,其暴露部分的最低处应高出圆筒底部配气装置的顶端至少100mm。 4、调节气体混合装置和流量控制装置，使(23士2)℃的氧浓度符合要求的氧/氮混合气体 以(40士10)mm/s的速度流经燃烧简。在燃点每根试样之前，用气流洗涤燃烧筒至少30s。在 每根试祥燃点和燃烧的过程中应维持流速不变。依据燃烧柱的截面积，计算出气体的总流量， 再分别计算出不同比例氧和氮的流量。根据计算，我们规定总流量为I0Lmin。 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information