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聚合物的長(zhǎng)時(shí)間熱老化測(cè)試（LTTA）
日期：2024-12-25 13:45
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摘要：
聚合物的長(zhǎng)時(shí)間熱老化測(cè)試（LTTA）
許多工程師及物料供貨商*常聽(tīng)到也*怕聽(tīng)到的，就是“*高操作溫度” ( Maximum OperatingTemperature，MOT )或者是“相對(duì)溫度指數(shù)”(Relative ThermalIndex，RTI)，因?yàn)檫@些數(shù)值幾乎決定了一種物料是否適用於某種成品。對(duì)於成品生產(chǎn)商而言，如果在進(jìn)行成品**測(cè)試時(shí)所錄得的操作溫度高於所用物料的*高容許溫度，幾乎就隻有兩個(gè)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(shè)計(jì)，以降低對(duì)操作溫度的要求。
但這兩個(gè)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?yàn)閷?duì)複雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，往往一點(diǎn)小變動(dòng)也會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)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(duì)物料供貨商而言，能夠提供高於原本類彆(Generic)RTI的物料是提高他們產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的因素之一。究竟怎樣能夠有效地確認(rèn)物料的 RTI？答案是通過(guò)LTTA 測(cè)試。
LTTA的定義及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
LTTA 是一項(xiàng)相當(dāng)專業(yè)且應(yīng)用廣泛的測(cè)試項(xiàng)目。所謂LTTA，是Long TermThermalAging，即長(zhǎng)時(shí)間熱老化測(cè)試的縮寫。UL公司提供該測(cè)試項(xiàng)目以及詳細(xì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：例如
? UL 746B 聚合物材料標(biāo)準(zhǔn)——長(zhǎng)期特性評(píng)估
? UL 746A 聚合物材料標(biāo)準(zhǔn)——短期特性評(píng)估
作為UL 的基礎(chǔ)測(cè)試項(xiàng)目，LTTA*常用於評(píng)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(shí)的“加速”熱老化結(jié)果，推斷物料的指定特性在100,000小時(shí)(即半衰期)能承受的*高溫度，也就是相對(duì)溫度指數(shù)(RTI)。換句話說(shuō)，相對(duì)溫度指數(shù)顯示了某種物料特性的抗熱能力，即物料若長(zhǎng)期暴露在*高容許溫度下，仍能保持該種特性的能力。因?yàn)榫酆衔锊牧系挠猛竞芏?，如電、熱、外力等，所以在未設(shè)定用途的情況時(shí)，聚合物材料的每種特性均有不同的RTI 值。此外 LTTA測(cè)試也會(huì)用於評(píng)估係統(tǒng)及成品的整體特性，而適用於整個(gè)係統(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(duì)物料組件組合成係統(tǒng)及成品所定的限製；換言之，也就是針對(duì)整個(gè)係統(tǒng)及成品的整體評(píng)估與限製。UL均會(huì)在每個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)示出“MOT 不可高於係統(tǒng)內(nèi)任何一個(gè)組件以及任何一個(gè)相關(guān)特性的額定溫度數(shù)值”。
LTTA與一般**測(cè)試的差異
冇有接受過(guò)熱老化測(cè)試的物料，會(huì)被假定其相對(duì)溫度指數(shù)與原本類彆(Generic)物料的數(shù)值相同。當(dāng)物料被用於某種產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，而該產(chǎn)品的操作溫度比物料的原本類彆相對(duì)溫度指數(shù)較高時(shí)，便可通過(guò)LTTA測(cè)試來(lái)確定物料的實(shí)際相對(duì)溫度指數(shù)、在長(zhǎng)時(shí)間使用的極限**溫度與使用環(huán)境，以判斷該物料是否適用於該產(chǎn)品上。原本類彆物料的相對(duì)溫度指數(shù)是參考過(guò)往的測(cè)試數(shù)據(jù)和化學(xué)結(jié)構(gòu)推算出來(lái)，在UL746B(聚合物材料標(biāo)準(zhǔn)—長(zhǎng)期特性評(píng)估)內(nèi)附有普通級(jí)彆物料的相對(duì)溫度指數(shù)列表。
LTTA與一般**性或是功能性測(cè)試的概念與方法幾乎可以說(shuō)是完全不同，其特彆之處在於LTTA並不像**性測(cè)試一樣有預(yù)設(shè)測(cè)試截止時(shí)間，也不像功能性測(cè)試有可用於比較的預(yù)設(shè)測(cè)試條件的限製。LTTA所要觀察的是三個(gè)變量“時(shí)間、溫度、特性”之間的關(guān)係，因?yàn)榭匮u變因的設(shè)計(jì)，使得LTTA不太像是一種“測(cè)試”，反而比較像是“實(shí)驗(yàn)”，所以LTTA是根據(jù)這三個(gè)變量來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與觀察，從而得出變量之間的理化關(guān)係式。
LTTA測(cè)試過(guò)程
適用物料
任何含有“有機(jī)聚合物”的物料，無(wú)論是熱塑性、熱固性還是彈性的有機(jī)聚合物，均由分子大小不同、結(jié)構(gòu)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(huì)與混合的分子結(jié)構(gòu)、分子量分布、分子量大小有相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)。雖然因?yàn)榉肿娱g結(jié)合力不強(qiáng)*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(cè)試。而單一元素物料如鐵、鋁、矽等屬於單原子分子，所以即使曆經(jīng)加熱及降溫，也不會(huì)出現(xiàn)物料質(zhì)量劣化的現(xiàn)象。至於無(wú)機(jī)低分子量物料，如陶瓷，隻有在溫度高於1000℃的情況下，它的質(zhì)量才會(huì)劣化，但一般消費(fèi)產(chǎn)品的操作溫度從不會(huì)高達(dá)1000℃。因此，這些物料無(wú)需接受 LTTA 測(cè)試。金屬合金的特性改變則是與分子排列的重組有關(guān)，與製作過(guò)程的關(guān)聯(lián)性遠(yuǎn)大於與熱的關(guān)聯(lián)性，所以也不適合進(jìn)行 UL 的 LTTA 測(cè)試。因此，有機(jī)聚合物物料或是含有“有機(jī)聚合物”物料的係統(tǒng)及成品，就是LTTA所必須評(píng)估的對(duì)象。
LTTA的進(jìn)行方式與觀測(cè)放射性元素衰變的方法很像，在不加入反應(yīng)物或是冇有其它影響裂解的元素出現(xiàn)的情況下，觀察溫度和時(shí)間對(duì)物料特性衰變的影響。為了避免溫度對(duì)儀器造成的影響，測(cè)試本身並不在高溫下進(jìn)行，而是讓物料在指定溫度和時(shí)間下進(jìn)行測(cè)試，將物料冷卻至室溫，再進(jìn)行相同的測(cè)試，以觀察其特性的衰退情況。在簡(jiǎn)化評(píng)估的要求下，可以采用“固定時(shí)間、改變溫度(FixTimeFrame Method,FTFM)”或“固定溫度、改變時(shí)間(FixTemp)”的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。之後從每一組溫度與時(shí)間的關(guān)係中，找出某個(gè)溫度下的半衰期，再藉由溫度與半衰期的關(guān)係，外推至指定半衰期的溫度，從而得出物料每項(xiàng)特性的相對(duì)溫度指數(shù)。為增強(qiáng)測(cè)試資料的可比較性，也會(huì)引入已知特性的控製組物料對(duì)照，利用二組物料來(lái)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，辦法是利用控製組物料在同一測(cè)試條件下的測(cè)試結(jié)果，與待測(cè)試物料的資料比較及作適當(dāng)?shù)钠钚拚?br>
LTTA的優(yōu)勢(shì)
截至目前，尚冇有其它更有效更快速的方案能夠替代LTTA，其優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在三個(gè)方麵。
配合更多客戶群的需要
物料本身的 RTI 低於成品在正?；虿徽５牟僮鳝h(huán)境下產(chǎn)生的*高操作溫度(MOT)，這屬於“**性”的問(wèn)題，如果物料的RTI不改善，客戶很可能就會(huì)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(qiáng)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(zhǎng)的時(shí)間，減少成品維修的機(jī)會(huì)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
如以上兩點(diǎn)，高 RTI 的物料本身就具有較高的附加價(jià)值，在原料成本差異不大的情況下，更能夠爭(zhēng)取到客戶的較高利潤(rùn)訂單。
許多工程師及物料供貨商*常聽(tīng)到也*怕聽(tīng)到的，就是“*高操作溫度” ( Maximum OperatingTemperature，MOT )或者是“相對(duì)溫度指數(shù)”(Relative ThermalIndex，RTI)，因?yàn)檫@些數(shù)值幾乎決定了一種物料是否適用於某種成品。對(duì)於成品生產(chǎn)商而言，如果在進(jìn)行成品**測(cè)試時(shí)所錄得的操作溫度高於所用物料的*高容許溫度，幾乎就隻有兩個(gè)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(shè)計(jì)，以降低對(duì)操作溫度的要求。
但這兩個(gè)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?yàn)閷?duì)複雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，往往一點(diǎn)小變動(dòng)也會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)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(duì)物料供貨商而言，能夠提供高於原本類彆(Generic)RTI的物料是提高他們產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的因素之一。究竟怎樣能夠有效地確認(rèn)物料的 RTI？答案是通過(guò)LTTA 測(cè)試。
LTTA的定義及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
LTTA 是一項(xiàng)相當(dāng)專業(yè)且應(yīng)用廣泛的測(cè)試項(xiàng)目。所謂LTTA，是Long TermThermalAging，即長(zhǎng)時(shí)間熱老化測(cè)試的縮寫。UL公司提供該測(cè)試項(xiàng)目以及詳細(xì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：例如
? UL 746B 聚合物材料標(biāo)準(zhǔn)——長(zhǎng)期特性評(píng)估
? UL 746A 聚合物材料標(biāo)準(zhǔn)——短期特性評(píng)估
作為UL 的基礎(chǔ)測(cè)試項(xiàng)目，LTTA*常用於評(píng)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(shí)的“加速”熱老化結(jié)果，推斷物料的指定特性在100,000小時(shí)(即半衰期)能承受的*高溫度，也就是相對(duì)溫度指數(shù)(RTI)。換句話說(shuō)，相對(duì)溫度指數(shù)顯示了某種物料特性的抗熱能力，即物料若長(zhǎng)期暴露在*高容許溫度下，仍能保持該種特性的能力。因?yàn)榫酆衔锊牧系挠猛竞芏?，如電、熱、外力等，所以在未設(shè)定用途的情況時(shí)，聚合物材料的每種特性均有不同的RTI 值。此外 LTTA測(cè)試也會(huì)用於評(píng)估係統(tǒng)及成品的整體特性，而適用於整個(gè)係統(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(duì)物料組件組合成係統(tǒng)及成品所定的限製；換言之，也就是針對(duì)整個(gè)係統(tǒng)及成品的整體評(píng)估與限製。UL均會(huì)在每個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)示出“MOT 不可高於係統(tǒng)內(nèi)任何一個(gè)組件以及任何一個(gè)相關(guān)特性的額定溫度數(shù)值”。
LTTA與一般**測(cè)試的差異
冇有接受過(guò)熱老化測(cè)試的物料，會(huì)被假定其相對(duì)溫度指數(shù)與原本類彆(Generic)物料的數(shù)值相同。當(dāng)物料被用於某種產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，而該產(chǎn)品的操作溫度比物料的原本類彆相對(duì)溫度指數(shù)較高時(shí)，便可通過(guò)LTTA測(cè)試來(lái)確定物料的實(shí)際相對(duì)溫度指數(shù)、在長(zhǎng)時(shí)間使用的極限**溫度與使用環(huán)境，以判斷該物料是否適用於該產(chǎn)品上。原本類彆物料的相對(duì)溫度指數(shù)是參考過(guò)往的測(cè)試數(shù)據(jù)和化學(xué)結(jié)構(gòu)推算出來(lái)，在UL746B(聚合物材料標(biāo)準(zhǔn)—長(zhǎng)期特性評(píng)估)內(nèi)附有普通級(jí)彆物料的相對(duì)溫度指數(shù)列表。
LTTA與一般**性或是功能性測(cè)試的概念與方法幾乎可以說(shuō)是完全不同，其特彆之處在於LTTA並不像**性測(cè)試一樣有預(yù)設(shè)測(cè)試截止時(shí)間，也不像功能性測(cè)試有可用於比較的預(yù)設(shè)測(cè)試條件的限製。LTTA所要觀察的是三個(gè)變量“時(shí)間、溫度、特性”之間的關(guān)係，因?yàn)榭匮u變因的設(shè)計(jì)，使得LTTA不太像是一種“測(cè)試”，反而比較像是“實(shí)驗(yàn)”，所以LTTA是根據(jù)這三個(gè)變量來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與觀察，從而得出變量之間的理化關(guān)係式。
LTTA測(cè)試過(guò)程
適用物料
任何含有“有機(jī)聚合物”的物料，無(wú)論是熱塑性、熱固性還是彈性的有機(jī)聚合物，均由分子大小不同、結(jié)構(gòu)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(huì)與混合的分子結(jié)構(gòu)、分子量分布、分子量大小有相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)。雖然因?yàn)榉肿娱g結(jié)合力不強(qiáng)*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(cè)試。而單一元素物料如鐵、鋁、矽等屬於單原子分子，所以即使曆經(jīng)加熱及降溫，也不會(huì)出現(xiàn)物料質(zhì)量劣化的現(xiàn)象。至於無(wú)機(jī)低分子量物料，如陶瓷，隻有在溫度高於1000℃的情況下，它的質(zhì)量才會(huì)劣化，但一般消費(fèi)產(chǎn)品的操作溫度從不會(huì)高達(dá)1000℃。因此，這些物料無(wú)需接受 LTTA 測(cè)試。金屬合金的特性改變則是與分子排列的重組有關(guān)，與製作過(guò)程的關(guān)聯(lián)性遠(yuǎn)大於與熱的關(guān)聯(lián)性，所以也不適合進(jìn)行 UL 的 LTTA 測(cè)試。因此，有機(jī)聚合物物料或是含有“有機(jī)聚合物”物料的係統(tǒng)及成品，就是LTTA所必須評(píng)估的對(duì)象。
LTTA的進(jìn)行方式與觀測(cè)放射性元素衰變的方法很像，在不加入反應(yīng)物或是冇有其它影響裂解的元素出現(xiàn)的情況下，觀察溫度和時(shí)間對(duì)物料特性衰變的影響。為了避免溫度對(duì)儀器造成的影響，測(cè)試本身並不在高溫下進(jìn)行，而是讓物料在指定溫度和時(shí)間下進(jìn)行測(cè)試，將物料冷卻至室溫，再進(jìn)行相同的測(cè)試，以觀察其特性的衰退情況。在簡(jiǎn)化評(píng)估的要求下，可以采用“固定時(shí)間、改變溫度(FixTimeFrame Method,FTFM)”或“固定溫度、改變時(shí)間(FixTemp)”的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。之後從每一組溫度與時(shí)間的關(guān)係中，找出某個(gè)溫度下的半衰期，再藉由溫度與半衰期的關(guān)係，外推至指定半衰期的溫度，從而得出物料每項(xiàng)特性的相對(duì)溫度指數(shù)。為增強(qiáng)測(cè)試資料的可比較性，也會(huì)引入已知特性的控製組物料對(duì)照，利用二組物料來(lái)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，辦法是利用控製組物料在同一測(cè)試條件下的測(cè)試結(jié)果，與待測(cè)試物料的資料比較及作適當(dāng)?shù)钠钚拚?br>
LTTA的優(yōu)勢(shì)
截至目前，尚冇有其它更有效更快速的方案能夠替代LTTA，其優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在三個(gè)方麵。
配合更多客戶群的需要
物料本身的 RTI 低於成品在正?；虿徽５牟僮鳝h(huán)境下產(chǎn)生的*高操作溫度(MOT)，這屬於“**性”的問(wèn)題，如果物料的RTI不改善，客戶很可能就會(huì)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(qiáng)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(zhǎng)的時(shí)間，減少成品維修的機(jī)會(huì)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
如以上兩點(diǎn)，高 RTI 的物料本身就具有較高的附加價(jià)值，在原料成本差異不大的情況下，更能夠爭(zhēng)取到客戶的較高利潤(rùn)訂單。
