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聚合物長時間的熱老化測試
日期：2024-12-23 16:40
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摘要：
聚合物長時間的熱老化測試
許多工程師及物料供貨商*常聽到也*怕聽到的，就是“*高操作溫度” ( Maximum OperatingTemperature，MOT)或者是“相對溫度指數(shù)”(RelativeThermalIndex，RTI)，因為這些數(shù)值幾乎決定了一種物料是否適用于某種成品。對于成品生產(chǎn)商而言，如果在進行成品**測試時所錄得的操作溫度高于所用物料的*高容許溫度，幾乎就只有兩個可行的選擇：
1、改用其它可承受較高溫度的物料；
2、更改成品設計，以降低對操作溫度的要求。
但這兩個選擇，卻有可能大大增加研發(fā)成本，甚至拖延研發(fā)周期，因為對復雜的產(chǎn)品設計而言，往往一點小變動也會牽一發(fā)而動全身。所以，選擇合適或較高RTI的物料是獲得更佳成本效益的方法。對物料供貨商而言，能夠提供高于原本類別(Generic)RTI的物料是提高他們產(chǎn)品競爭力的因素之一。究竟怎樣能夠有效地確認物料的 RTI？答案是通過LTTA 測試。
LTTA的定義及相關標準
LTTA 是一項相當專業(yè)且應用廣泛的測試項目。所謂LTTA，是Long TermThermalAging，即長時間熱老化測試的縮寫。UL公司提供該測試項目以及詳細的相關標準：例如
? UL 746B 聚合物材料標準——長期特性評估
? UL 746A 聚合物材料標準——短期特性評估
作為UL 的基礎測試項目，LTTA*常用于評估聚合物材料的特性，如工程塑料等。以大約5,000至10,000小時的“加速”熱老化結果，推斷物料的指定特性在100,000小時(即半衰期)能承受的*高溫度，也就是相對溫度指數(shù)(RTI)。換句話說，相對溫度指數(shù)顯示了某種物料特性的抗熱能力，即物料若長期暴露在*高容許溫度下，仍能保持該種特性的能力。因為聚合物材料的用途很多，如電、熱、外力等，所以在未設定用途的情況時，聚合物材料的每種特性均有不同的RTI 值。此外 LTTA測試也會用于評估系統(tǒng)及成品的整體特性，而適用于整個系統(tǒng)及成品的*高容許溫度，則稱為*高操作溫度(MOT)。MOT是用在已知用途的情況下，對物料組件組合成系統(tǒng)及成品所定的限制；換言之，也就是針對整個系統(tǒng)及成品的整體評估與限制。UL均會在每個相關標準標示出“MOT 不可高于系統(tǒng)內(nèi)任何一個組件以及任何一個相關特性的額定溫度數(shù)值”。
LTTA與一般**測試的差異
沒有接受過熱老化測試的物料，會被假定其相對溫度指數(shù)與原本類別(Generic)物料的數(shù)值相同。當物料被用于某種產(chǎn)品設計上，而該產(chǎn)品的操作溫度比物料的原本類別相對溫度指數(shù)較高時，便可通過LTTA測試來確定物料的實際相對溫度指數(shù)、在長時間使用的極限**溫度與使用環(huán)境，以判斷該物料是否適用于該產(chǎn)品上。原本類別物料的相對溫度指數(shù)是參考過往的測試數(shù)據(jù)和化學結構推算出來，在UL746B(聚合物材料標準—長期特性評估)內(nèi)附有普通級別物料的相對溫度指數(shù)列表。
LTTA與一般**性或是功能性測試的概念與方法幾乎可以說是完全不同，其特別之處在于LTTA并不像**性測試一樣有預設測試截止時間，也不像功能性測試有可用于比較的預設測試條件的限制。LTTA所要觀察的是三個變量“時間、溫度、特性”之間的關系，因為控制變因的設計，使得LTTA不太像是一種“測試”，反而比較像是“實驗”，所以LTTA是根據(jù)這三個變量來進行設計與觀察，從而得出變量之間的理化關系式。
LTTA測試過程
適用物料
任何含有“有機聚合物”的物料，無論是熱塑性、熱固性還是彈性的有機聚合物，均由分子大小不同、結構不同以及聚合度不一的巨型分子所混合而成，而物料的特性會與混合的分子結構、分子量分布、分子量大小有相當大的關聯(lián)。雖然因為分子間結合力不強*容易加工，但也因此*容易產(chǎn)生裂解現(xiàn)象，所以這些物料都需要接受LTTA測試。而單一元素物料如鐵、鋁、硅等屬于單原子分子，所以即使歷經(jīng)加熱及降溫，也不會出現(xiàn)物料質(zhì)量劣化的現(xiàn)象。至于無機低分子量物料，如陶瓷，只有在溫度高于1000℃的情況下，它的質(zhì)量才會劣化，但一般消費產(chǎn)品的操作溫度從不會高達1000℃。因此，這些物料無需接受 LTTA 測試。金屬合金的特性改變則是與分子排列的重組有關，與制作過程的關聯(lián)性遠大于與熱的關聯(lián)性，所以也不適合進行 UL 的 LTTA 測試。因此，有機聚合物物料或是含有“有機聚合物”物料的系統(tǒng)及成品，就是LTTA所必須評估的對象。
LTTA的進行方式與觀測放射性元素衰變的方法很像，在不加入反應物或是沒有其它影響裂解的元素出現(xiàn)的情況下，觀察溫度和時間對物料特性衰變的影響。為了避免溫度對儀器造成的影響，測試本身并不在高溫下進行，而是讓物料在指定溫度和時間下進行測試，將物料冷卻至室溫，再進行相同的測試，以觀察其特性的衰退情況。在簡化評估的要求下，可以采用“固定時間、改變溫度(FixTime FrameMethod,FTFM)”或“固定溫度、改變時間(FixTemp)”的方法來進行測試。之后從每一組溫度與時間的關系中，找出某個溫度下的半衰期，再藉由溫度與半衰期的關系，外推至指定半衰期的溫度，從而得出物料每項特性的相對溫度指數(shù)。為增強測試資料的可比較性，也會引入已知特性的控制組物料對照，利用二組物料來進行比對測試，辦法是利用控制組物料在同一測試條件下的測試結果，與待測試物料的資料比較及作適當?shù)钠钚拚?br>
LTTA的優(yōu)勢
截至目前，尚沒有其它更有效更快速的方案能夠替代LTTA，其優(yōu)勢具體表現(xiàn)在三個方面。
配合更多客戶群的需要
物料本身的 RTI 低于成品在正?；虿徽５牟僮鳝h(huán)境下產(chǎn)生的*高操作溫度(MOT)，這屬于“**性”的問題，如果物料的RTI不改善，客戶很可能就會尋找更高 RTI 的物料，而直接更換物料供貨商了。所以，較高RTI的物料，更能夠配合不同客戶群的需要。
滿足高品質(zhì)客戶的需求
更高的 RTI代表可以耐受更高的溫度或是在相同溫度下有更高的強度，所以在產(chǎn)品操作環(huán)境溫度需求不變的情況下，RTI更高的物料通常可以使用更長的時間，減少成品維修的機會與成本，更能夠滿足高品質(zhì)客戶的需求。
建立可持續(xù)性競爭優(yōu)勢
如以上兩點，高RTI的物料本身就具有較高的附加價值，在原料成本差異不大的情況下，更能夠爭取到客戶的較高利潤訂單。
許多工程師及物料供貨商*常聽到也*怕聽到的，就是“*高操作溫度” ( Maximum OperatingTemperature，MOT)或者是“相對溫度指數(shù)”(RelativeThermalIndex，RTI)，因為這些數(shù)值幾乎決定了一種物料是否適用于某種成品。對于成品生產(chǎn)商而言，如果在進行成品**測試時所錄得的操作溫度高于所用物料的*高容許溫度，幾乎就只有兩個可行的選擇：
1、改用其它可承受較高溫度的物料；
2、更改成品設計，以降低對操作溫度的要求。
但這兩個選擇，卻有可能大大增加研發(fā)成本，甚至拖延研發(fā)周期，因為對復雜的產(chǎn)品設計而言，往往一點小變動也會牽一發(fā)而動全身。所以，選擇合適或較高RTI的物料是獲得更佳成本效益的方法。對物料供貨商而言，能夠提供高于原本類別(Generic)RTI的物料是提高他們產(chǎn)品競爭力的因素之一。究竟怎樣能夠有效地確認物料的 RTI？答案是通過LTTA 測試。
LTTA的定義及相關標準
LTTA 是一項相當專業(yè)且應用廣泛的測試項目。所謂LTTA，是Long TermThermalAging，即長時間熱老化測試的縮寫。UL公司提供該測試項目以及詳細的相關標準：例如
? UL 746B 聚合物材料標準——長期特性評估
? UL 746A 聚合物材料標準——短期特性評估
作為UL 的基礎測試項目，LTTA*常用于評估聚合物材料的特性，如工程塑料等。以大約5,000至10,000小時的“加速”熱老化結果，推斷物料的指定特性在100,000小時(即半衰期)能承受的*高溫度，也就是相對溫度指數(shù)(RTI)。換句話說，相對溫度指數(shù)顯示了某種物料特性的抗熱能力，即物料若長期暴露在*高容許溫度下，仍能保持該種特性的能力。因為聚合物材料的用途很多，如電、熱、外力等，所以在未設定用途的情況時，聚合物材料的每種特性均有不同的RTI 值。此外 LTTA測試也會用于評估系統(tǒng)及成品的整體特性，而適用于整個系統(tǒng)及成品的*高容許溫度，則稱為*高操作溫度(MOT)。MOT是用在已知用途的情況下，對物料組件組合成系統(tǒng)及成品所定的限制；換言之，也就是針對整個系統(tǒng)及成品的整體評估與限制。UL均會在每個相關標準標示出“MOT 不可高于系統(tǒng)內(nèi)任何一個組件以及任何一個相關特性的額定溫度數(shù)值”。
LTTA與一般**測試的差異
沒有接受過熱老化測試的物料，會被假定其相對溫度指數(shù)與原本類別(Generic)物料的數(shù)值相同。當物料被用于某種產(chǎn)品設計上，而該產(chǎn)品的操作溫度比物料的原本類別相對溫度指數(shù)較高時，便可通過LTTA測試來確定物料的實際相對溫度指數(shù)、在長時間使用的極限**溫度與使用環(huán)境，以判斷該物料是否適用于該產(chǎn)品上。原本類別物料的相對溫度指數(shù)是參考過往的測試數(shù)據(jù)和化學結構推算出來，在UL746B(聚合物材料標準—長期特性評估)內(nèi)附有普通級別物料的相對溫度指數(shù)列表。
LTTA與一般**性或是功能性測試的概念與方法幾乎可以說是完全不同，其特別之處在于LTTA并不像**性測試一樣有預設測試截止時間，也不像功能性測試有可用于比較的預設測試條件的限制。LTTA所要觀察的是三個變量“時間、溫度、特性”之間的關系，因為控制變因的設計，使得LTTA不太像是一種“測試”，反而比較像是“實驗”，所以LTTA是根據(jù)這三個變量來進行設計與觀察，從而得出變量之間的理化關系式。
LTTA測試過程
適用物料
任何含有“有機聚合物”的物料，無論是熱塑性、熱固性還是彈性的有機聚合物，均由分子大小不同、結構不同以及聚合度不一的巨型分子所混合而成，而物料的特性會與混合的分子結構、分子量分布、分子量大小有相當大的關聯(lián)。雖然因為分子間結合力不強*容易加工，但也因此*容易產(chǎn)生裂解現(xiàn)象，所以這些物料都需要接受LTTA測試。而單一元素物料如鐵、鋁、硅等屬于單原子分子，所以即使歷經(jīng)加熱及降溫，也不會出現(xiàn)物料質(zhì)量劣化的現(xiàn)象。至于無機低分子量物料，如陶瓷，只有在溫度高于1000℃的情況下，它的質(zhì)量才會劣化，但一般消費產(chǎn)品的操作溫度從不會高達1000℃。因此，這些物料無需接受 LTTA 測試。金屬合金的特性改變則是與分子排列的重組有關，與制作過程的關聯(lián)性遠大于與熱的關聯(lián)性，所以也不適合進行 UL 的 LTTA 測試。因此，有機聚合物物料或是含有“有機聚合物”物料的系統(tǒng)及成品，就是LTTA所必須評估的對象。
LTTA的進行方式與觀測放射性元素衰變的方法很像，在不加入反應物或是沒有其它影響裂解的元素出現(xiàn)的情況下，觀察溫度和時間對物料特性衰變的影響。為了避免溫度對儀器造成的影響，測試本身并不在高溫下進行，而是讓物料在指定溫度和時間下進行測試，將物料冷卻至室溫，再進行相同的測試，以觀察其特性的衰退情況。在簡化評估的要求下，可以采用“固定時間、改變溫度(FixTime FrameMethod,FTFM)”或“固定溫度、改變時間(FixTemp)”的方法來進行測試。之后從每一組溫度與時間的關系中，找出某個溫度下的半衰期，再藉由溫度與半衰期的關系，外推至指定半衰期的溫度，從而得出物料每項特性的相對溫度指數(shù)。為增強測試資料的可比較性，也會引入已知特性的控制組物料對照，利用二組物料來進行比對測試，辦法是利用控制組物料在同一測試條件下的測試結果，與待測試物料的資料比較及作適當?shù)钠钚拚?br>
LTTA的優(yōu)勢
截至目前，尚沒有其它更有效更快速的方案能夠替代LTTA，其優(yōu)勢具體表現(xiàn)在三個方面。
配合更多客戶群的需要
物料本身的 RTI 低于成品在正?；虿徽５牟僮鳝h(huán)境下產(chǎn)生的*高操作溫度(MOT)，這屬于“**性”的問題，如果物料的RTI不改善，客戶很可能就會尋找更高 RTI 的物料，而直接更換物料供貨商了。所以，較高RTI的物料，更能夠配合不同客戶群的需要。
滿足高品質(zhì)客戶的需求
更高的 RTI代表可以耐受更高的溫度或是在相同溫度下有更高的強度，所以在產(chǎn)品操作環(huán)境溫度需求不變的情況下，RTI更高的物料通常可以使用更長的時間，減少成品維修的機會與成本，更能夠滿足高品質(zhì)客戶的需求。
建立可持續(xù)性競爭優(yōu)勢
如以上兩點，高RTI的物料本身就具有較高的附加價值，在原料成本差異不大的情況下，更能夠爭取到客戶的較高利潤訂單。
