Zlyhanie starnutia a predpoveď životnosti polymérnych materiálov

Porucha starnutia a predikcia životnosti polymérnych materiálov
Počas skladovania a používania budú polymérne materiály ovplyvňované rôznymi faktormi prostredia (ako je ultrafialové svetlo, teplo, vlhkosť, ozón, mikroorganizmy atď.) a pracovnými podmienkami (ako je stres, elektrické pole, magnetické pole, médiá atď.) Degradácia fotokyslíkom, tepelná degradácia, chemická degradácia, biologická degradácia atď., vedie k postupnému úpadku rôznych vlastností až k deštrukcii. Preto je veľmi dôležité študovať mechanizmus zlyhania starnutia a predikciu životnosti polymérnych materiálov. Ak vezmeme ako príklad gumové tesniace materiály, výrobky z nich, ako sú tesnenia, O-krúžky, misky, olejové tesnenia, ventily atď., sú často na kľúčových miestach v mechanických zariadeniach a zároveň sú často slabými prepojenia komponentov alebo zostáv. Ak stratí svoju tesniacu schopnosť, je potrebné ho rozobrať a vymeniť, inak môže byť celý výrobok zošrotovaný.
Podstatou starnutia gumy je zosieťovanie alebo pretrhnutie molekulárnych reťazcov gumy, čo je väčšinou mechanizmus autokatalytickej oxidácie. Druh a zloženie kaučukovej surovej gumy do značnej miery určuje stabilitu produktu pri starnutí. Napríklad tepelná odolnosť silikónového kaučuku a fluórového kaučuku je lepšia ako tepelná odolnosť nitrilbutadiénového kaučuku (NBR); tepelná odolnosť hydrogenovaného nitrilbutadiénového kaučuku (HNBR) Čím vyššia je nasýtenosť, tým lepšia je tepelná stabilita; so zvyšujúcim sa obsahom akrylonitrilu (AN) sa zvyšuje odolnosť NBR voči oleju a starnutiu, ale zároveň sa znižuje jeho tesniaci výkon a odolnosť voči nízkym teplotám. Systém vulkanizácie kaučuku, stabilizačný systém, plnivá a zmäkčovadlá ovplyvnia vlastnosti starnutia matrice. V prípade silikónovej gumy alebo polyuretánovej gumy, ktorá sa ľahko hydrolyzuje alebo má určitú hydrofilitu, vlhkosť urýchli jej starnutie. Počas používania musia gumové tesniace materiály často odolávať určitej deformácii a dostať sa do kontaktu s olejovými médiami. To robí proces starnutia materiálu nielen procesom termooxidačnej degradácie, ale aj vplyvom ropných médií a namáhania.
Životnosť gumy sa zvyčajne vyhodnocuje prostredníctvom zrýchleného tepelného testu starnutia kyslíkom, to znamená, že test zrýchleného starnutia sa vykonáva pri vyššej teplote a životnosť sa predpovedá extrapoláciou výsledkov merania na teplotu používania (služby) pomocou Arrheniusovho vzorca . To si vyžaduje, aby sa mechanizmus vedúci k degradácii nezmenil v rámci skúmaného teplotného rozsahu. Vo väčšine prípadov sa ukázalo, že Arrheniusova metóda je použiteľná, ale mnohí výskumníci uviedli, že nearrheniusovské správanie starnutia gumy nie je úplne použiteľné. Napríklad, keď Bernstein a spol. študovali zrýchlené starnutie fluorosilikónu, zistili, že Arrheniova krivka jeho správania pri relaxácii tlakového napätia sa odchýlila o 80 stupňov, čo spôsobilo, že vysokoteplotné a nízkoteplotné segmenty vykazovali dve aktivačné energie (73 kJ·mol-1 a 29 kJ ·mol-1). Vypočítané z aktivačnej energie nízkoteplotnej sekcie je životnosť zodpovedajúca 50 % strate výkonu 17 rokov, pričom životnosť priamo extrapolovaná z aktivačnej energie vysokoteplotnej sekcie je až 900 rokov. Úpravy, úpravy a opätovná tlač prostredníctvom siete Jiayu Testing Network musia uvádzať zdroj. Takýto obrovský rozdiel naznačuje, že skutočné podmienky starnutia sa líšia od zrýchleného starnutia, čo má za následok zmeny v mechanizme starnutia alebo zmeny v mechanizme starnutia v rôznych teplotných rozsahoch, čo spôsobí, že výsledky jednoduchej extrapolácie budú nespoľahlivé. Súčasná výskumná práca však väčšinou vychádza zo skutočných potrieb inžinierskych aplikácií so zameraním na mechanické vlastnosti (ako je pevnosť, tvrdosť, trvalá deformácia v tlaku, relaxácia napätia, rýchlosť zotavenia elasticity atď.), týkajúce sa mechanizmu starnutia gumy za rôznych podmienok. . Výskum je zapojený len zriedka, čo znamená, že predpovedanie života stále používa metódu zrýchleného tepelného starnutia kyslíkom. Existujú značné medzery vo výskume vplyvu zložitých teplotných a vlhkostných podmienok, stresových účinkov, stredných účinkov atď. v gumárenskom prostredí.
Počas procesu tepelnej oxidácie bude kaučuk generovať rôzne oxidačné produkty, ktoré sú samozrejme distribuované v smere hrúbky produktu a jeho hustota zosieťovania sa tiež zmení. Po vykonaní hĺbkového výskumu správania sa tepelného starnutia kyslíka a mechanizmu NBR vo vzduchu a mazacom oleji autor zistil, že proces starnutia NBR vo vzduchu možno rozdeliť do troch etáp. Prvým stupňom je najmä migrácia aditív (zmäkčovadlá, antioxidanty a pod.). V druhom štádiu dominuje oxidačná reakcia a sieťovacia reakcia, čo sa prejavuje zvýšením stupňa zosieťovania a tvrdosti, pričom rýchlosť zotavenia elasticity klesá. V treťom štádiu neskorého starnutia tepelnej oxidácie môže silná oxidácia dokonca spôsobiť prerušenie molekulových reťazcov. V súčasnosti sa však elasticita NBR takmer úplne stratila a nemožno ho použiť ako tesniaci materiál. V tomto procese je veľmi dôležitým ukazovateľom zmena obsahu antioxidantov. Keď jeho obsah klesne na kritickú hodnotu, rýchlosť zotavenia sa prudko klesne a tvrdosť prudko stúpne, čo spôsobí stratu výkonu. Keď NBR tepelne starne v mazacom oleji, v prvom rade vďaka difúzii mazacieho oleja do gumy si guma môže udržať dobré vlastnosti odolnosti po dlhú dobu. Po druhé, hoci mazací olej do určitej miery bráni difúzii kyslíka, stupeň oxidácie v oleji je vyšší v dôsledku zvýšenej pohyblivosti molekulárnych reťazcov gumy. Ak má rovnaký typ oleja rôznu viskozitu, stupeň oxidácie v oleji s nízkou viskozitou bude vyšší ako v oleji s vysokou viskozitou. Po tretie, extrakčný účinok mazacieho oleja na prísady spôsobuje, že rýchlosť migrácie prísad v gume je rýchlejšia.
Pri použití ako tesniaceho materiálu je guma vystavená namáhaniu a časom sa uvoľňuje. Gillen a kol. zo Sandia National Laboratory študovali správanie butylkaučuku pri relaxácii napätia pri určitom namáhaní pri rôznych teplotách a zistili, že miera relaxácie napätia sa výrazne zrýchlila v podmienkach namáhania.
Keď sa gumové tesniace materiály používajú v situáciách dynamického tesnenia a mazania, musia sa vziať do úvahy vlastnosti trenia a opotrebovania gumy. Koeficient trenia gumy je spoločným príspevkom kvapaliny, adhézie a deformácie. Adhézia je spojenie a deštrukcia na molekulárnej úrovni a klesá s modulom pružnosti, funkciou viskoelasticity. Hysteretické trenie gumy je proces náročný na energiu, sprevádzaný vnútorným tlmením, ale zvyšuje sa so znižovaním modulu pružnosti. Opotrebenie je lokalizované poškodenie, výsledok rozpadu zosieťovanej siete na menšie molekuly. Ak ide o ostrý povrch, opotrebovanie povedie k poruche v ťahu; ak ide o tupý povrch, povedie to k únavovému zlyhaniu. Rôzne olejové médiá majú rôzne účinky na vlastnosti trenia a opotrebovania gumy. Napríklad esterový základný olej zhoršuje mechanické vlastnosti NBR vážnejšie ako minerálny olej a polyolefínový syntetický olej (PAO).