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聚合物的長時間熱老化測試（LTTA）
日期：2024-09-01 10:29
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摘要：
聚合物的長時間熱老化測試（LTTA）
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”(Relative ThermalIndex，RTI)，因為這些數值幾乎決定了一種物料是否適用於某種成品。對於成品生產商而言，如果在進行成品**測試時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，因為對複雜的產品設計而言，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，能夠提供高於原本類彆(Generic)RTI的物料是提高他們產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*常用於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(RTI)。換句話說，相對溫度指數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測試也會用於評估係統(tǒng)及成品的整體特性，而適用於整個係統(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，也就是針對整個係統(tǒng)及成品的整體評估與限製。UL均會在每個相關標準標示出“MOT 不可高於係統(tǒng)內任何一個組件以及任何一個相關特性的額定溫度數值”。
LTTA與一般**測試的差異
冇有接受過熱老化測試的物料，會被假定其相對溫度指數與原本類彆(Generic)物料的數值相同。當物料被用於某種產品設計上，而該產品的操作溫度比物料的原本類彆相對溫度指數較高時，便可通過LTTA測試來確定物料的實際相對溫度指數、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於該產品上。原本類彆物料的相對溫度指數是參考過往的測試數據和化學結構推算出來，在UL746B(聚合物材料標準—長期特性評估)內附有普通級彆物料的相對溫度指數列表。
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，其特彆之處在於LTTA並不像**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於比較的預設測試條件的限製。LTTA所要觀察的是三個變量“時間、溫度、特性”之間的關係，因為控製變因的設計，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係式。
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、矽等屬於單原子分子，所以即使曆經加熱及降溫，也不會出現(xiàn)物料質量劣化的現(xiàn)象。至於無機低分子量物料，如陶瓷，隻有在溫度高於1000℃的情況下，它的質量才會劣化，但一般消費產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，與製作過程的關聯(lián)性遠大於與熱的關聯(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”物料的係統(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冇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，測試本身並不在高溫下進行，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(FixTimeFrame Method,FTFM)”或“固定溫度、改變時間(FixTemp)”的方法來進行測試。之後從每一組溫度與時間的關係中，找出某個溫度下的半衰期，再藉由溫度與半衰期的關係，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。為增強測試資料的可比較性，也會引入已知特性的控製組物料對照，利用二組物料來進行比對測試，辦法是利用控製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的偏差修正。
LTTA的優(yōu)勢
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)勢具體表現(xiàn)在三個方麵。
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)境下產生的*高操作溫度(MOT)，這屬於“**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，所以在產品操作環(huán)境溫度需求不變的情況下，RTI更高的物料通?？梢允褂酶L的時間，減少成品維修的機會與成本，更能夠滿足高品質客戶的需求。
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”(Relative ThermalIndex，RTI)，因為這些數值幾乎決定了一種物料是否適用於某種成品。對於成品生產商而言，如果在進行成品**測試時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，因為對複雜的產品設計而言，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，能夠提供高於原本類彆(Generic)RTI的物料是提高他們產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*常用於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(RTI)。換句話說，相對溫度指數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測試也會用於評估係統(tǒng)及成品的整體特性，而適用於整個係統(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，也就是針對整個係統(tǒng)及成品的整體評估與限製。UL均會在每個相關標準標示出“MOT 不可高於係統(tǒng)內任何一個組件以及任何一個相關特性的額定溫度數值”。
LTTA與一般**測試的差異
冇有接受過熱老化測試的物料，會被假定其相對溫度指數與原本類彆(Generic)物料的數值相同。當物料被用於某種產品設計上，而該產品的操作溫度比物料的原本類彆相對溫度指數較高時，便可通過LTTA測試來確定物料的實際相對溫度指數、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於該產品上。原本類彆物料的相對溫度指數是參考過往的測試數據和化學結構推算出來，在UL746B(聚合物材料標準—長期特性評估)內附有普通級彆物料的相對溫度指數列表。
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，其特彆之處在於LTTA並不像**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於比較的預設測試條件的限製。LTTA所要觀察的是三個變量“時間、溫度、特性”之間的關係，因為控製變因的設計，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係式。
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、矽等屬於單原子分子，所以即使曆經加熱及降溫，也不會出現(xiàn)物料質量劣化的現(xiàn)象。至於無機低分子量物料，如陶瓷，隻有在溫度高於1000℃的情況下，它的質量才會劣化，但一般消費產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，與製作過程的關聯(lián)性遠大於與熱的關聯(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”物料的係統(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冇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，測試本身並不在高溫下進行，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(FixTimeFrame Method,FTFM)”或“固定溫度、改變時間(FixTemp)”的方法來進行測試。之後從每一組溫度與時間的關係中，找出某個溫度下的半衰期，再藉由溫度與半衰期的關係，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。為增強測試資料的可比較性，也會引入已知特性的控製組物料對照，利用二組物料來進行比對測試，辦法是利用控製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的偏差修正。
LTTA的優(yōu)勢
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)勢具體表現(xiàn)在三個方麵。
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)境下產生的*高操作溫度(MOT)，這屬於“**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，所以在產品操作環(huán)境溫度需求不變的情況下，RTI更高的物料通?？梢允褂酶L的時間，減少成品維修的機會與成本，更能夠滿足高品質客戶的需求。
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。
