Как да се определи химическата стабилност на материалите

Определянето на химическата стабилност на материалите може да се извърши от следните аспекти:

I. Теоретичен анализ

1. Анализ на химичния състав

– Разбирането на химичния състав на материалите е основата за оценка на тяхната химическа стабилност. Например, при металните материали химичната стабилност на чистите метали обикновено е свързана с тяхното положение в редицата на металната активност. Благородните метали като злато (Au) и платина (Pt) притежават относително стабилни химични свойства, тъй като се намират в края на редицата на металната активност и не са склонни да реагират с обичайните киселини, основи и соли. Металите като желязо (Fe) и цинк (Zn) са относително по-активни и имат малко по-ниска химическа стабилност.

– За полимерните материали химичната им стабилност е свързана със структурата и състава на молекулярните вериги. Полимерните материали, съдържащи повече ненаситени връзки (например въглерод-въглеродни двойни връзки), може да имат по-лоша химична стабилност, тъй като ненаситените връзки са склонни към присъединяване, окисление и други реакции. Например природният каучук съдържа голям брой въглерод-въглеродни двойни връзки и лесно се окислява от кислорода, което води до стареене на каучука.

2. Анализ на кристалната структура (за кристални материали)

– Кристалната структура на материалите може да повлияе върху тяхната химична стабилност. Например при металните кристали плътно опакованите кристални структури (като гранецентрирана кубична и плътно опакована шестоъгълна структура) обикновено са по-стабилни от металните кристали с телецентрирана кубична структура. Това се дължи на това, че плътно опакованата структура прави връзките между атомите по-близки и по-трудно проникваеми за външни вещества, които биха могли да встъпят в реакция.

– За йонните кристали големината на решетъчната енергия може също да отразява тяхната химическа стабилност. Йонните кристали с висока решетъчна енергия (например магнезиев оксид MgO) притежават относително висока химическа стабилност, тъй като йонните връзки са силни и за разкъсването им е необходима относително голяма енергия, което прави кристалите по-малко склонни да участват в химични реакции при нормални условия.

II. Експериментални изпитвания

1. Изпитвания за корозионна устойчивост

Тест за разпръскване на солен разтвор: Това е широко използван метод за изпитване на метални материали и материали с защитни покрития. Пробите от материала се поставят в камера за тестове с разпръскване на солен разтвор, където се разпрашва разтвор на натриев хлорид (например, при неутралния тест за разпръскване на солен разтвор се използва разтвор на натриев хлорид с концентрация 50 г/л и pH между 6,5 и 7,5), за да се имитира солена среда като тази в океана или крайбрежните зони. Наблюдава се дали в определен период от време (например 24 часа, 48 часа, 72 часа и т.н.) върху повърхността на материала се появяват ръжда, корозия, напуквания и други подобни явления. Ако материала показва очевидна корозия за сравнително кратко време, това означава, че неговата химическа стабилност е слаба.

– Тест за потапяне: Изберете съответния разтвор за потапяне според средата, в която ще се използва материала. Например, за материали, които могат да се използват в кисела среда, те могат да се потопят в разтвор с определена концентрация на киселина (напр. сярна киселина, солна киселина и др.); за материали, използвани в алкална среда, се използва алкален разтвор (напр. разтвор на натриев хидроксид). Наблюдавайте промяната в масата и промяната в повърхностната морфология на материала по време на процеса на потапяне. Ако по време на потапянето материала загуби значително количество от масата си и върху повърхността му се появят корозионни ямки, това показва, че химическата му стабилност е слаба.

2. Тестове за термична стабилност

Термогравиметричен анализ (TGA): При програмиран контрол на температурата се измерва зависимостта между масата на материала и температурата. Когато материала се нагрява, ако на относително ниска температура се наблюдава значителна загуба на маса, това може да се дължи на протичане на химични реакции като разлагане, окисление и др. Например някои органични полимерни материали подлагат на термично разлагане при високи температури, а чрез TGA може да се определи температурата на термичното разлагане, за да се оцени техната химическа стабилност в среда с висока температура.

– Диференциална сканираща калориметрия (DSC): Тя може да измерва промяната на топлината на материала по време на процеса на нагряване или охлаждане. Ако материала показва ендотермични или екзотермични върхове по време на процеса на нагряване, това може да се дължи на фазови преходи, химични реакции и др. Чрез анализ на положението и големината на тези върхове може да се прецени химическата стабилност на материала. Например определени сплави преминават през фазови преходи при конкретни температури, а тези фазови преходи могат да повлияят на химическата стабилност на материала.

3. Тестове за устойчивост към окисляване Ускорен тест за окисляване: За материали, които са склонни към окисляване (като метали, мазнини и др.), устойчивостта им към окисляване може да се оцени чрез ускорен тест за окисляване. Например в среда с висока температура и високо съдържание на кислород се наблюдава скоростта на окисляване на материала. За металните материали могат да се измерват дебелината на растящата оксидна пленка и увеличението на масата, за да се прецени тяхната устойчивост към окисляване. За мазнините степента на окисляване може да се определи чрез измерване на показатели като пероксидната стойност. Ако материала има висока скорост на окисляване при ускорения тест за окисляване, това показва, че неговата химическа устойчивост е слаба.

4. Тестове за реактивност с други вещества – Материалът може да бъде подложен на тест за контакт с други вещества, с които може да влезе в контакт (например разтворители, други материали и др.). Например, за опаковъчни материали трябва да се извърши тест за реактивност с компоненти на храните (като мазнини, киселини, алкални вещества и др.). Материалът се поставя в контакт с имитатори на храни и чрез установяване на наличието на миграция на вещества и на промени в самия материал се оценява неговата химическа стабилност. За композитни материали е необходимо да се провери дали ще протекат химични реакции между различните компоненти, които могат да повлияят на общите експлоатационни характеристики на материала.