Neuspjeh starenja i predviđanje vijeka trajanja polimernih materijala

Otkazivanje starenja i predviđanje vijeka trajanja polimernih materijala
Tokom skladištenja i upotrebe, na polimerne materijale će uticati različiti faktori okoline (kao što su ultraljubičasto svetlo, toplota, vlaga, ozon, mikroorganizmi, itd.) i radni uslovi (kao što su stres, električno polje, magnetno polje, mediji itd.) Degradacija fotokiseonika, termička degradacija, hemijska degradacija, biološka degradacija itd., dovode do postepenog opadanja različitih svojstava do uništenja. Stoga je od velikog značaja proučavanje mehanizma kvara starenja i predviđanje vijeka trajanja polimernih materijala. Uzimajući za primjer gumene zaptivne materijale, proizvodi od njih, kao što su brtve, O-prstenovi, čaše, uljne brtve, ventili, itd., često su na ključnim pozicijama u mehaničkoj opremi, a ujedno su i slabi. veze komponenti ili sklopova. Ako izgubi sposobnost brtvljenja, mora se rastaviti i zamijeniti, u suprotnom cijeli proizvod može biti raskinut.
Suština starenja gume je umrežavanje ili lomljenje molekularnih lanaca gume, što je uglavnom autokatalitički oksidacijski mehanizam. Vrsta i sastav gumene sirove gume u velikoj mjeri određuju stabilnost proizvoda na starenje. Na primjer, otpornost na toplinu silikonske gume i fluorne gume je bolja od otpornosti nitril butadien gume (NBR); otpornost na toplotu hidrogenizovane nitril butadien gume (HNBR) Što je veća zasićenost, to je bolja termička stabilnost; Kako se sadržaj akrilonitrila (AN) povećava, raste otpornost na ulje i starenje NBR-a, ali se istovremeno smanjuje njegova sposobnost brtvljenja i otpornost na niske temperature. Sistem vulkanizacije gume, sistem stabilizacije, punila i plastifikatori će uticati na svojstva starenja matrice. Za silikonsku ili poliuretansku gumu koja se lako hidrolizira ili ima određenu hidrofilnost, vlaga će ubrzati njeno starenje. Tokom upotrebe, gumeni zaptivni materijali često moraju izdržati određenu količinu deformacija i doći u kontakt sa uljnim medijima. To čini proces starenja materijala ne samo procesom termooksidativne degradacije, već i utjecajem uljnih medija i stresa.
Vijek trajanja gume se obično procjenjuje kroz test ubrzanog termičkog starenja kisikom, odnosno test ubrzanog starenja se izvodi na višoj temperaturi, a vijek se predviđa ekstrapolacijom rezultata mjerenja na uporabnu (servisnu) temperaturu korištenjem Arrheniusove formule. . To zahtijeva da se mehanizam koji dovodi do degradacije ne mijenja unutar temperaturnog raspona koji se istražuje. U većini slučajeva dokazano je da je Arrheniusova metoda primjenjiva, ali mnogi istraživači su izvijestili da ne-Arrheniusovo ponašanje starenja gume nije u potpunosti primjenjivo. Na primjer, kada Bernstein et al. proučavali ubrzano starenje fluorosilikona, otkrili su da Arrheniusova kriva njegovog ponašanja relaksacije kompresivnog naprezanja odstupa za 80 stepeni, uzrokujući da visokotemperaturni i niskotemperaturni segmenti pokazuju dvije energije aktivacije (73kJ·mol-1 i 29kJ ·mol-1). Izračunato iz energije aktivacije sekcije na niskim temperaturama, životni vek koji odgovara 50% gubitka performansi je 17 godina, dok životni vek direktno ekstrapoliran iz energije aktivacije visokotemperaturne sekcije iznosi čak 900 godina. Uređivanje, uređivanje i ponovno štampanje od strane Jiayu Testing Network mora navesti izvor. Ovako ogromna razlika ukazuje na to da su stvarni uvjeti starenja različiti od ubrzanog starenja, što rezultira promjenama u mehanizmu starenja, ili promjenama u mehanizmu starenja u različitim temperaturnim rasponima, što će rezultate jednostavne ekstrapolacije učiniti nepouzdanim. Međutim, sadašnji istraživački rad uglavnom polazi od stvarnih potreba inženjerskih aplikacija, fokusirajući se na mehanička svojstva (kao što su čvrstoća, tvrdoća, kompresijska trajna deformacija, opuštanje naprezanja, stopa elastičnog oporavka, itd.), u vezi s mehanizmom starenja gume u različitim uvjetima. . Istraživanja su rijetko uključena, što znači da predviđanje života još uvijek koristi metodu ubrzanog termičkog starenja kisikom. Postoje značajni nedostaci u istraživanju uticaja složenih temperaturnih i vlažnih uslova, efekata naprezanja, efekata medija itd. u okolini gume.
Tokom procesa termičke oksidacije, guma će generisati različite oksidacione proizvode, koji su očigledno raspoređeni u pravcu debljine proizvoda, a takođe će se promeniti i njena gustoća umrežavanja. Nakon detaljnog istraživanja ponašanja termičkog starenja kisika i mehanizma NBR u zraku i ulju za podmazivanje, autor je otkrio da se proces starenja NBR u zraku može podijeliti u tri faze. Prva faza je uglavnom migracija aditiva (plastifikatora, antioksidansa, itd.). U drugoj fazi dominiraju oksidaciona reakcija i reakcija umrežavanja, što se manifestuje povećanjem stepena umrežavanja i tvrdoće, dok se elastični oporavak smanjuje. U trećoj fazi kasnog termičkog oksidacijskog starenja, teška oksidacija može čak uzrokovati pucanje molekularnih lanaca. Međutim, u ovom trenutku, elastičnost NBR-a je gotovo potpuno izgubljena i ne može se koristiti kao materijal za brtvljenje. U ovom procesu, promjena sadržaja antioksidansa je vrlo važan pokazatelj. Kada njegov sadržaj padne na kritičnu vrijednost, stopa elastičnog oporavka će naglo pasti, a tvrdoća će naglo porasti, uzrokujući gubitak performansi. Kada se NBR termički odleži u ulju za podmazivanje, prije svega, zbog difuzije ulja za podmazivanje u gumu, guma može zadržati dobra svojstva elastičnosti dugo vremena. Drugo, iako ulje za podmazivanje u određenoj mjeri ometa difuziju kisika, stupanj oksidacije u ulju je veći zbog povećane pokretljivosti molekularnih lanaca gume. Ako je ista vrsta ulja različitog viskoziteta, stepen oksidacije u niskoviskoznom ulju će biti veći nego u visokoviskoznom ulju. Treće, efekat ekstrakcije ulja za podmazivanje na aditive uzrokuje da brzina migracije aditiva u gumi bude brža.
Kada se koristi kao zaptivni materijal, guma je podložna stresu i vremenom se opušta. Gillen et al. iz Nacionalne laboratorije Sandia proučavao je ponašanje butilne gume pri relaksaciji naprezanja s određenim deformacijama na različitim temperaturama i otkrio da je brzina relaksacije naprezanja značajno ubrzana pod napregnutim uvjetima.
Kada se gumeni zaptivni materijali koriste u situacijama dinamičkog zaptivanja i podmazivanja, moraju se uzeti u obzir svojstva trenja i habanja gume. Koeficijent trenja gume je zajednički doprinos tečnosti, adhezije i deformacije. Adhezija je povezivanje i destrukcija na molekularnom nivou i smanjuje se sa modulom elastičnosti, što je funkcija viskoelastičnosti. Histerezno trenje gume je proces koji troši energiju, praćen unutrašnjim prigušenjem, ali se povećava kako se modul elastičnosti smanjuje. Habanje je lokalizirano oštećenje, rezultat raspada umrežene mreže na manje molekule. Ako je oštra površina, habanje će dovesti do zateznog loma; ako je tupa površina, to će dovesti do kvara od zamora. Različiti uljni mediji imaju različite efekte na svojstva trenja i habanja gume. Na primjer, estersko bazno ulje ozbiljnije degradira mehanička svojstva NBR-a nego mineralno ulje i poliolefinsko sintetičko ulje (PAO).