Awaria starzenia i przewidywanie trwałości materiałów polimerowych

Awarie starzenia i przewidywanie trwałości materiałów polimerowych
Podczas przechowywania i użytkowania na materiały polimerowe wpływają różne czynniki środowiskowe (takie jak światło ultrafioletowe, ciepło, wilgotność, ozon, mikroorganizmy itp.) i warunki pracy (takie jak stres, pole elektryczne, pole magnetyczne, media itp.) Degradacja fototlenowa, degradacja termiczna, degradacja chemiczna, degradacja biologiczna itp. prowadzą do stopniowego pogarszania się różnych właściwości, aż do zniszczenia. Dlatego ogromne znaczenie ma badanie mechanizmu uszkodzeń związanych ze starzeniem się i przewidywanie żywotności materiałów polimerowych. Biorąc na przykład gumowe materiały uszczelniające, wytwarzane z nich produkty, takie jak uszczelki, o-ringi, miseczki, uszczelniacze olejowe, zawory itp., często zajmują kluczowe miejsca w urządzeniach mechanicznych, a jednocześnie często są słabymi połączenia komponentów lub zespołów. Jeśli utraci swoje właściwości uszczelniające, należy go zdemontować i wymienić, w przeciwnym razie cały produkt może zostać złomowany.
Istotą starzenia gumy jest sieciowanie lub pękanie łańcuchów molekularnych gumy, co jest głównie mechanizmem utleniania autokatalitycznego. Rodzaj i skład surowej gumy kauczukowej w dużym stopniu determinuje stabilność starzenia produktu. Na przykład odporność cieplna kauczuku silikonowego i kauczuku fluorowego jest lepsza niż kauczuku nitrylowo-butadienowego (NBR); odporność cieplna uwodornionego kauczuku nitrylowo-butadienowego (HNBR) Im wyższe nasycenie, tym lepsza stabilność termiczna; wraz ze wzrostem zawartości akrylonitrylu (AN) wzrasta odporność na olej i starzenie się NBR, ale jednocześnie zmniejszają się jego właściwości uszczelniające i odporność na niskie temperatury. System wulkanizacji gumy, system stabilizujący, wypełniacze i plastyfikatory będą miały wpływ na właściwości starzenia osnowy. W przypadku gumy silikonowej lub gumy poliuretanowej, która łatwo ulega hydrolizie lub ma pewną hydrofilowość, wilgoć przyspiesza jej starzenie. Podczas użytkowania gumowe materiały uszczelniające często muszą wytrzymać pewne odkształcenia i wejść w kontakt z mediami olejowymi. To sprawia, że ​​proces starzenia się materiału to nie tylko proces degradacji termooksydacyjnej, ale także wpływ mediów ropopochodnych i naprężeń.
Żywotność gumy ocenia się zwykle poprzez przyspieszony test starzenia termicznego w tlenie, to znaczy test przyspieszonego starzenia przeprowadza się w wyższej temperaturze, a trwałość prognozuje się poprzez ekstrapolację wyników pomiarów na temperaturę użytkowania (użytkowania) za pomocą wzoru Arrheniusa . Wymaga to, aby mechanizm prowadzący do degradacji nie zmieniał się w badanym zakresie temperatur. W większości przypadków udowodniono, że metoda Arrheniusa ma zastosowanie, ale wielu badaczy zgłosiło, że zachowanie gumy podczas starzenia inne niż Arrhenius nie ma całkowitego zastosowania. Na przykład, gdy Bernstein i in. badali przyspieszone starzenie się fluorosilikonu i odkryli, że krzywa Arrheniusa jego zachowania podczas relaksacji naprężeń ściskających odchyliła się o 80 stopni, powodując, że segmenty o wysokiej i niskiej temperaturze wykazywały dwie energie aktywacji (73 kJ·mol-1 i 29 kJ ·mol-1). Obliczona na podstawie energii aktywacji sekcji niskotemperaturowej żywotność odpowiadająca 50% utracie wydajności wynosi 17 lat, podczas gdy żywotność bezpośrednio ekstrapolowana na podstawie energii aktywacji sekcji wysokotemperaturowej wynosi aż 900 lat. Redakcja, edycja i przedruk przez Jiayu Testing Network muszą wskazywać źródło. Tak ogromna różnica wskazuje, że rzeczywiste warunki starzenia różnią się od starzenia przyspieszonego, co skutkuje zmianami w mechanizmie starzenia lub zmianami w mechanizmie starzenia w różnych zakresach temperatur, co spowoduje, że proste wyniki ekstrapolacji będą niewiarygodne. Jednakże obecne prace badawcze w większości zaczynają się od rzeczywistych potrzeb zastosowań inżynieryjnych, koncentrując się na właściwościach mechanicznych (takich jak wytrzymałość, twardość, trwałe odkształcenie przy ściskaniu, relaksacja naprężeń, współczynnik powrotu sprężystego itp.), w odniesieniu do mechanizmu starzenia się gumy w różnych warunkach . Badania są rzadko przeprowadzane, co oznacza, że ​​do przewidywania życia w dalszym ciągu wykorzystuje się metodę przyspieszonego termicznego starzenia tlenowego. Istnieją znaczne luki badawcze w zakresie wpływu złożonych warunków temperatury i wilgotności, skutków naprężeń, efektów mediów itp. w środowisku gumy.
Podczas procesu utleniania termicznego guma będzie wytwarzać różne produkty utleniania, które są oczywiście rozmieszczone w kierunku grubości produktu, a także zmieni się gęstość jej usieciowania. Po przeprowadzeniu dogłębnych badań nad zachowaniem się termicznego starzenia tlenowego oraz mechanizmem NBR w powietrzu i oleju smarowym, autor stwierdził, że proces starzenia NBR w powietrzu można podzielić na trzy etapy. Pierwszy etap to głównie migracja dodatków (plastyfikatorów, przeciwutleniaczy itp.). W drugim etapie dominuje reakcja utleniania i reakcja sieciowania, objawiająca się wzrostem stopnia usieciowania i twardości, przy jednoczesnym spadku szybkości powrotu elastycznego. W trzecim etapie późnego starzenia poprzez utlenianie termiczne, silne utlenianie może nawet spowodować zerwanie łańcuchów molekularnych. Jednak w tym czasie elastyczność NBR została prawie całkowicie utracona i nie można go stosować jako materiału uszczelniającego. W tym procesie bardzo ważnym wskaźnikiem jest zmiana zawartości przeciwutleniaczy. Kiedy jego zawartość spadnie do wartości krytycznej, współczynnik powrotu sprężystości gwałtownie spadnie, a twardość gwałtownie wzrośnie, powodując utratę jego wydajności. Podczas starzenia termicznego NBR w oleju smarowym, przede wszystkim dzięki dyfuzji oleju smarowego do gumy, guma może przez długi czas zachować dobre właściwości sprężyste. Po drugie, choć olej smarowy w pewnym stopniu utrudnia dyfuzję tlenu, stopień utlenienia oleju jest wyższy ze względu na zwiększoną ruchliwość łańcuchów molekularnych kauczuku. Jeżeli ten sam rodzaj oleju ma różną lepkość, stopień utlenienia w oleju o niskiej lepkości będzie wyższy niż w oleju o wysokiej lepkości. Po trzecie, efekt ekstrakcji oleju smarowego na dodatkach powoduje, że prędkość migracji dodatków w gumie jest większa.
Guma stosowana jako materiał uszczelniający podlega naprężeniom i z czasem ulega relaksacji. Gillena i in. z Sandia National Laboratory zbadało zachowanie relaksacji naprężeń kauczuku butylowego przy pewnym odkształceniu w różnych temperaturach i odkryło, że tempo relaksacji naprężeń było znacznie przyspieszone w warunkach naprężenia.
Kiedy gumowe materiały uszczelniające są stosowane w sytuacjach dynamicznego uszczelniania i smarowania, należy wziąć pod uwagę właściwości cierne i zużycie gumy. Współczynnik tarcia gumy to łączny udział cieczy, przyczepności i odkształcenia. Adhezja to połączenie i zniszczenie na poziomie molekularnym i maleje wraz z modułem sprężystości, będącym funkcją lepkosprężystości. Tarcie histeretyczne gumy jest procesem energochłonnym, któremu towarzyszy tłumienie wewnętrzne, ale wzrasta wraz ze spadkiem modułu sprężystości. Zużycie to miejscowe uszkodzenie, będące wynikiem rozpadu usieciowanej sieci na mniejsze cząsteczki. Jeśli jest to ostra powierzchnia, zużycie doprowadzi do uszkodzenia przy rozciąganiu; jeśli jest to tępa powierzchnia, doprowadzi to do uszkodzenia zmęczeniowego. Różne media olejowe mają różny wpływ na właściwości cierne i zużycie gumy. Na przykład estrowy olej bazowy degraduje właściwości mechaniczne NBR w większym stopniu niż olej mineralny i syntetyczny olej poliolefinowy (PAO).