塑料产品理化性能检测的热稳定性及耐腐蚀性测试方法

塑料凭借轻质、易加工、成本低等优势，广泛应用于工业制造、日用品、建筑建材等领域。其中，热稳定性（指塑料在高温环境下保持物理力学性能、化学结构稳定的能力）与耐腐蚀性（抵抗酸碱、溶剂、盐雾等化学介质侵蚀的能力）是决定其使用寿命、安全性能的核心指标比如汽车发动机周边的塑料部件需耐150℃以上高温，化工管道则需长期抵抗强腐蚀介质。准确、科学的测试方法是评估这两项性能的关键，直接为材料选型、产品设计提供数据支撑。本文将详细拆解塑料热稳定性与耐腐蚀性的主流测试方法，涵盖原理、操作要点及实际应用。

热稳定性测试之热重分析（TGA）

热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）是评估塑料热稳定性最常用的方法之一，其核心原理是通过监测样品在程序升温过程中的质量变化，反映材料的热分解行为。测试时，需先将塑料样品粉碎成均匀粉末（避免颗粒大小差异导致传热不均），准确称取5-20mg置于氧化铝或铂坩埚中；随后根据测试目的设置气氛若研究热分解（如聚丙烯的热降解），需通入氮气（惰性气氛）防止氧化；若评估氧化稳定性（如聚乙烯的热氧老化），则用空气或氧气。

仪器升温速率通常设置为5-20℃/min（升温太快会导致热滞后，使分解温度结果偏高；太慢则延长测试时间），测试过程中仪器会实时记录样品质量随温度的变化曲线（TG曲线）。通过分析曲线，可得到两个关键指标：一是分解起始温度（Td），即样品质量开始明显下降的温度；二是质量损失率（如200℃时的质量损失率，反映低温下的热稳定性）。

操作中需注意三点：一是样品需充分干燥（避免水分蒸发干扰质量变化）；二是坩埚需清洁（残留杂质可能引发催化分解）；三是重复测试（至少3次）以保证结果重复性。TGA的优势在于定量性强，适用于各类塑料的热分解行为评估，比如用于筛选耐高温塑料（如聚苯硫醚PPS，其Td可达500℃以上）。

在实际应用中，TGA常与傅里叶变换红外光谱（FTIR）联用（TG-FTIR），通过分析分解气体的成分，进一步揭示塑料的热降解机制比如聚氯乙烯（PVC）热分解时会释放HCl气体，TG-FTIR可实时检测这一过程，帮助优化配方（如添加热稳定剂减少HCl释放）。

差示扫描量热法（DSC）：从热量变化看热稳定性

差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）与TGA互补，其原理是测量样品与惰性参比物（如α-氧化铝）在程序升温或降温过程中的热量差，反映材料的相变（如玻璃化转变、熔融、结晶）及热反应（如固化、氧化）。对于热稳定性评估，DSC的核心价值在于检测塑料的玻璃化转变温度（Tg）和熔融温度（Tm）Tg是塑料从硬脆态转为高弹态的临界温度，Tm则是结晶塑料的熔点，两者均直接关联材料的耐高温性能（如Tg越高，塑料在高温下的刚性保持越好）。

测试步骤与TGA类似，但样品制备更简单：只需将塑料压成薄片或剪取颗粒（5-10mg），置于铝坩埚中（密封或敞口，根据测试需求）。仪器需先以铟（熔点156.6℃）或锡（231.9℃）校准温度和热量，确保数据准确性。升温程序通常为：从室温升至比Tm高50℃（如PET的Tm约250℃，则升温至300℃），再降温至室温（研究结晶行为）。

通过DSC曲线（DSC曲线），可读取Tg（曲线的台阶状变化）、Tm（吸热峰温度）及热焓（ΔH，峰面积对应的热量，反映结晶度）。比如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的Tg约70℃，Tm约250℃若某改性PET的Tg提升至85℃，说明其低温热稳定性增强，更适合制作高温下使用的饮料瓶。

需注意的是，DSC样品需避免污染（如手上的油脂会导致额外吸热峰），且重量不宜过大（超过10mg会导致传热不均，峰形变宽）。此外，扫描速率对结果影响显著：比如以5℃/min扫描时，PET的Tg为70℃；若速率提高至20℃/min，Tg可能升至75℃因此需严格遵循标准（如ISO 11357）中的扫描速率要求。

DSC的另一应用是评估塑料的热氧化稳定性：通过在空气气氛下进行“氧化诱导期（OIT）”测试，即记录样品从开始加热到出现氧化放热峰的时间（OIT值）。OIT越长，说明塑料的热氧稳定性越好比如交联聚乙烯（XLPE）的OIT值可达数百分钟，适用于电缆绝缘层（长期耐100℃以上高温）。

热机械分析（TMA）：直观反映热变形行为

热机械分析（Thermomechanical Analysis，TMA）聚焦于塑料在温度变化中的尺寸稳定性，其原理是在恒定载荷下，测量样品的尺寸变化（伸长、收缩或弯曲）随温度的变化。与TGA、DSC不同，TMA更贴近实际应用场景比如塑料管材在高温下的膨胀、家电外壳的热变形。

测试前需制备标准样条（如长25mm、宽5mm、厚2mm的矩形条），确保表面平整、无划痕（划痕会导致应力集中，加速变形）。测试时，将样品固定在仪器夹具上，施加恒定载荷（如0.5N的压载荷或拉载荷），然后以5-10℃/min的速率升温。仪器会记录样品的尺寸变化曲线（TMA曲线），从中可得到热膨胀系数（CTE）即单位温度变化下的尺寸变化率（单位：10^-6/℃）。

例如，聚氯乙烯（PVC）的CTE约为50-100×10^-6/℃，而玻璃纤维增强PVC（GF-PVC）的CTE可降至20-30×10^-6/℃这说明填充玻璃纤维能显著降低塑料的热膨胀，更适合制作高精度零件（如汽车仪表板）。

需注意的是，载荷大小需匹配样品刚度（如硬质塑料可施加1N载荷，软质塑料则用0.1N，避免压碎样品）；夹具需牢固（防止样品滑动导致尺寸测量误差）；此外，TMA还可进行“热变形温度（HDT）”测试即样品在1.80MPa或0.45MPa载荷下，变形达到0.2mm时的温度，直接反映材料的耐热变形能力（如ABS的HDT约80℃，适合制作电脑外壳）。

维卡软化温度测试：快速判断塑料耐热上限

维卡软化温度（Vicat Softening Temperature，VST）是工业中快速评估塑料耐热性的常用指标，对应标准为ISO 306或ASTM D1525。其原理是在恒定压力下，用直径1mm的钢针垂直压入塑料样品表面，当压入深度达到1mm时的温度，即为维卡软化温度。

测试步骤如下：首先制备平板状样品（厚度≥3mm，面积≥10mm×10mm，表面需打磨平整，无气泡或划痕）；然后将样品置于测试支架上，调整钢针位置使其接触样品表面（但不施加压力）；随后根据标准选择压力“A法”（5kg，约0.49MPa）适用于软质塑料（如PE），“B法”（1kg，约0.098MPa）适用于硬质塑料（如酚醛树脂）；最后设置升温速率（50℃/h或120℃/h，前者为“慢速率”，后者为“快速”）。

测试过程中，仪器会自动记录温度和压入深度当压入深度达到1mm时，立即停止加热并记录此时的温度。例如，某ABS塑料的维卡软化温度（A法，50℃/h）为85℃，说明其在85℃以下能保持足够的刚性，可用于制作家电外壳；若某改性ABS的维卡温度提升至100℃，则可用于汽车内饰件（长期耐80℃以上高温）。

需注意的是，维卡测试是“条件性”指标不同压力、升温速率下的结果差异较大，因此报告中需明确标注测试条件（如“维卡温度：85℃，ISO 306，A法，50℃/h”）。此外，样品的厚度会影响结果：厚度不足3mm会导致热量传递过快，维卡温度偏低；厚度超过6mm则传热慢，结果偏高因此需严格遵循标准中的样品尺寸要求。

耐腐蚀性基础：浸泡试验的操作与结果分析

浸泡试验是评估塑料耐腐蚀性最直观、最常用的方法，其原理是将样品完全浸入目标化学介质中，通过观察外观变化、测量尺寸及力学性能保留率，判断材料对介质的抵抗能力。测试前需明确三个关键参数：介质类型（根据实际应用场景选择，如化工管道用10%H2SO4、20%NaOH，食品包装用食用酒精）、浸泡温度（如室温25℃或加速测试用60℃）、浸泡时间（如7天、14天或更长）。

样品需制备成标准力学样条（如ISO 527的拉伸样条，或ISO 178的弯曲样条），测试前需先测量初始尺寸（长度、宽度、厚度）、外观（拍照记录颜色、光泽）及力学性能（拉伸强度、弯曲模量）。浸泡时，需将样品完全浸没在介质中（避免部分暴露导致局部腐蚀），并密封容器（防止介质挥发或吸收空气中的水分）。

浸泡结束后，取出样品用蒸馏水冲洗干净，擦干后进行以下测试：一是外观检查（是否出现开裂、变色、肿胀、溶解等现象如聚碳酸酯（PC）浸泡在丙酮中会肿胀、发白，说明不耐丙酮）；二是尺寸变化率（计算长度变化率：(浸泡后长度-初始长度)/初始长度×100%，若变化率超过5%，说明材料在该介质中易溶胀）；三是力学性能保留率（如拉伸强度保留率=浸泡后拉伸强度/初始拉伸强度×100%，保留率越高，耐腐蚀性越好）。

需注意的是，浸泡试验的“加速性”需合理比如用60℃浸泡7天，相当于室温下的几个月，但温度过高可能导致介质性质变化（如盐酸高温下挥发），反而影响结果准确性。此外，不同塑料对同一介质的耐腐蚀性差异很大：比如聚乙烯（PE）耐稀硫酸，但不耐浓硝酸；聚丙烯（PP）耐氢氧化钠，但不耐芳烃溶剂（如苯）。

电化学腐蚀测试：定量评估耐腐蚀性

对于需长期接触电解质溶液（如盐水、酸碱溶液）的塑料（如化工管道、海洋用塑料部件），电化学腐蚀测试是更精准的方法。其原理是通过电化学工作站测量样品的极化曲线、腐蚀电流密度（Icorr），定量反映材料的耐腐蚀能力Icorr越小，耐腐蚀性越好。

测试前，需对塑料样品进行“导电处理”：由于大多数塑料是绝缘体，需在其表面溅射一层薄金属膜（如金或铂，厚度约100nm），或用导电胶将样品与金属导线连接（确保电流能通过）。随后将样品作为“工作电极”，饱和甘汞电极（SCE）作为“参比电极”，铂片作为“辅助电极”，组成三电极体系，浸入测试介质（如3.5%NaCl溶液，模拟海水）。

测试时，先测量“开路电位（OCP）”即电极在无电流时的电位，反映样品的初始腐蚀状态；然后进行“动电位极化扫描”：从OCP向阳极方向扫描（速率1mV/s），记录电流随电位的变化曲线（极化曲线）。通过拟合曲线，可得到腐蚀电流密度（Icorr）和腐蚀电位（Ecorr）Ecorr越正，说明样品越难被腐蚀；Icorr越小，腐蚀速率越慢。

例如，某交联聚乙烯（XLPE）的Icorr为1.2×10^-8 A/cm²，而未交联的PE的Icorr为5.6×10^-7 A/cm²说明交联处理显著提升了PE的耐电化学腐蚀性，更适合制作海底电缆绝缘层。

操作中需注意：导电层需均匀（避免局部导电不良导致电流分布不均）；介质需除氧（通入氮气30分钟，防止氧还原反应干扰极化曲线）；此外，测试后需用SEM观察样品表面（是否出现腐蚀坑或裂纹），结合电化学数据综合分析。

盐雾试验：模拟海洋环境的加速腐蚀测试

盐雾试验（Salt Spray Test）是评估塑料耐大气腐蚀（尤其是海洋环境）的标准方法，对应标准为ISO 9227或ASTM B117。其原理是将样品暴露在连续或周期喷洒的盐雾（5%NaCl溶液，pH值5.5-6.5）中，模拟海边高盐雾环境，通过观察样品的腐蚀情况（如变色、起泡、开裂）评估耐腐蚀性。

测试步骤如下：首先制备样品（尺寸根据设备调整，通常为100mm×100mm，表面需清洁，无油污）；然后将样品固定在测试箱内（与垂直方向成15-30度角，确保盐雾均匀覆盖）；随后设置盐雾浓度（5%NaCl，即每升水含50g NaCl）、温度（35℃，模拟常温海洋环境）、喷雾量（1-2mL/80cm²·h）；最后根据测试要求设置时间（如24h、48h、96h或更长）。

测试结束后，取出样品用清水冲洗（去除表面盐粒），干燥后检查外观：若样品表面无明显变化（如PVC门窗型材在96h盐雾试验后无变色、开裂），说明其耐盐雾腐蚀性良好；若出现起泡或锈斑（如未改性的ABS在48h后出现泛黄），则需改进配方（如添加抗氧剂或紫外线吸收剂）。

需注意的是，盐雾试验是“加速”测试，其结果需与实际环境相关性验证比如某塑料在1000h盐雾试验中无腐蚀，相当于在海洋环境中使用5-10年；但不同地区的盐雾浓度差异很大（如沿海地区盐雾浓度约100mg/m³，内陆地区约10mg/m³），因此需根据使用场景调整测试条件。

应力腐蚀开裂试验：评估“应力+介质”的协同作用

塑料的腐蚀往往不是单一因素导致的很多情况下，“机械应力”与“化学介质”会协同作用，导致材料提前开裂（即应力腐蚀开裂，SCC）。比如，PET饮料瓶在长期储存酒精时，若瓶体存在拉伸应力（如吹塑时的残余应力），可能会出现裂纹；化工管道的焊缝处（存在焊接应力）若接触强腐蚀介质，也易发生SCC。

应力腐蚀开裂试验的原理是将样品置于恒定应力下，同时接触化学介质，记录从接触介质到开裂的时间（断裂时间，TTF）。测试时，需先制备带缺口的样条（如ASTM D1693的“双悬臂梁”样条，或ISO 13479的“弯曲应力”样条），然后通过砝码或应力架施加恒定应力（通常为材料拉伸强度的30%-70%）；随后将样品浸入介质中（如丙酮对PC的应力腐蚀，或四氯化碳对PE的应力腐蚀），定期观察是否出现裂纹。

例如，某PC塑料的拉伸强度为60MPa，施加30MPa的应力（50%拉伸强度），浸入丙酮中若10小时后出现裂纹，说明其在该应力和介质下易发生SCC；若调整应力至20MPa（33%拉伸强度），断裂时间延长至100小时，则说明降低应力可提升耐腐蚀性。

操作中需注意：应力加载需准确（用应变片或拉力计校准）；介质需与样品充分接触（如将样条完全浸没）；此外，需设置“空白样”（仅施加应力，不接触介质）和“介质样”（仅接触介质，不施加应力），以排除单一因素的影响。应力腐蚀开裂试验的结果直接为产品设计提供依据比如，对于需承受应力的塑料部件（如压力容器），需选择SCC阈值高的材料（如聚偏二氟乙烯PVDF，其S