Selhání stárnutí a předpověď životnosti polymerních materiálů

Porucha stárnutí a predikce životnosti polymerních materiálů
Během skladování a používání budou polymerní materiály ovlivňovány různými faktory prostředí (jako je ultrafialové světlo, teplo, vlhkost, ozón, mikroorganismy atd.) a pracovními podmínkami (jako je stres, elektrické pole, magnetické pole, média atd.) Degradace fotokyslíkem, tepelná degradace, chemická degradace, biologická degradace atd. vedou k postupnému poklesu různých vlastností až k destrukci. Proto je velmi důležité studovat mechanismus selhání stárnutí a predikci životnosti polymerních materiálů. Vezmeme-li jako příklad pryžové těsnicí materiály, výrobky z nich, jako jsou těsnění, O-kroužky, misky, olejová těsnění, ventily atd., jsou často na klíčových pozicích v mechanických zařízeních a zároveň jsou často slabými spojení součástí nebo sestav. Pokud ztratí svou těsnící schopnost, je nutné jej rozebrat a vyměnit, jinak může být celý výrobek sešrotován.
Podstatou stárnutí pryže je zesíťování nebo přerušování molekulárních řetězců pryže, což je většinou autokatalytický oxidační mechanismus. Druh a složení pryžového surového kaučuku do značné míry určuje stabilitu výrobku proti stárnutí. Například tepelná odolnost silikonového kaučuku a fluorového kaučuku je lepší než tepelná odolnost nitrilbutadienového kaučuku (NBR); tepelná odolnost hydrogenovaného nitrilbutadienového kaučuku (HNBR) Čím vyšší je nasycení, tím lepší je tepelná stabilita; se zvyšujícím se obsahem akrylonitrilu (AN) se zvyšuje odolnost proti oleji a stárnutí NBR, ale současně klesá jeho těsnicí výkon a odolnost vůči nízkým teplotám. Systém vulkanizace pryže, stabilizační systém, plniva a změkčovadla, to vše ovlivní vlastnosti stárnutí matrice. U silikonového kaučuku nebo polyuretanového kaučuku, který se snadno hydrolyzuje nebo má určitou hydrofilitu, vlhkost urychlí jeho stárnutí. Při používání musí pryžové těsnicí materiály často odolávat určité deformaci a přicházet do styku s olejovými médii. Tím je proces stárnutí materiálu nejen procesem termooxidační degradace, ale také vlivem olejových médií a namáhání.
Životnost pryže se obvykle hodnotí pomocí zrychleného tepelného testu stárnutí kyslíkem, to znamená, že se zrychlený test stárnutí provádí při vyšší teplotě a životnost se předpovídá extrapolací výsledků měření na provozní (provozní) teplotu pomocí Arrheniusova vzorce. . To vyžaduje, aby se mechanismus vedoucí k degradaci neměnil v rámci zkoumaného teplotního rozsahu. Ve většině případů se Arrheniusova metoda ukázala jako použitelná, ale mnoho výzkumníků uvedlo, že ne-Arrheniusovo chování stárnutí pryže není zcela použitelné. Například, když Bernstein a spol. studovali zrychlené stárnutí fluorosilikonu, zjistili, že Arrheniova křivka jeho chování při relaxaci tlakového napětí se odchýlila o 80 stupňů, což způsobilo, že vysokoteplotní a nízkoteplotní segmenty vykazovaly dvě aktivační energie (73 kJ·mol-1 a 29 kJ ·mol-1). Vypočteno z aktivační energie nízkoteplotní sekce je životnost odpovídající 50% ztrátě výkonu 17 let, zatímco životnost přímo extrapolovaná z aktivační energie vysokoteplotní sekce je až 900 let. Úpravy, úpravy a dotisk pomocí sítě Jiayu Testing Network musí uvádět zdroj. Takový obrovský rozdíl naznačuje, že skutečné podmínky stárnutí se liší od zrychleného stárnutí, což má za následek změny v mechanismu stárnutí nebo změny v mechanismu stárnutí v různých teplotních rozsazích, což způsobí, že výsledky jednoduché extrapolace budou nespolehlivé. Současné výzkumné práce však většinou vycházejí ze skutečných potřeb strojírenských aplikací se zaměřením na mechanické vlastnosti (jako je pevnost, tvrdost, tlaková trvalá deformace, relaxace napětí, rychlost zotavení elasticity atd.), týkající se mechanismu stárnutí pryže za různých podmínek. . Výzkum je zapojen jen zřídka, což znamená, že predikce života stále používá metodu zrychleného tepelného stárnutí kyslíkem. V oblasti vlivu složitých teplotních a vlhkostních podmínek, vlivů napětí, vlivů média atd. v pryžovém prostředí existují značné mezery ve výzkumu.
Během procesu tepelné oxidace bude kaučuk generovat různé oxidační produkty, které jsou zjevně distribuovány ve směru tloušťky produktu a jeho hustota zesítění se také změní. Po provedení hloubkového výzkumu chování tepelného stárnutí kyslíkem a mechanismu NBR ve vzduchu a mazacím oleji autor zjistil, že proces stárnutí NBR ve vzduchu lze rozdělit do tří fází. První etapou je především migrace aditiv (změkčovadla, antioxidanty atd.). Ve druhém stupni dominuje oxidační reakce a síťovací reakce, projevující se zvýšením stupně zesítění a tvrdosti, zatímco rychlost elastického zotavení klesá. Ve třetí fázi pozdního stárnutí tepelné oxidace může silná oxidace dokonce způsobit přerušení molekulárních řetězců. V současné době se však elasticita NBR téměř úplně ztratila a nelze jej použít jako těsnící materiál. V tomto procesu je velmi důležitým ukazatelem změna obsahu antioxidantů. Když jeho obsah klesne na kritickou hodnotu, rychlost obnovy pružnosti prudce klesne a tvrdost prudce stoupne, což způsobí ztrátu výkonu. Při tepelném stárnutí NBR v mazacím oleji, především díky difúzi mazacího oleje do pryže, si pryž může po dlouhou dobu zachovat dobré vlastnosti pružnosti. Za druhé, ačkoli mazací olej do určité míry brání difúzi kyslíku, stupeň oxidace v oleji je vyšší v důsledku zvýšené pohyblivosti molekulárních řetězců kaučuku. Pokud má stejný typ oleje různé viskozity, bude stupeň oxidace v oleji s nízkou viskozitou vyšší než v oleji s vysokou viskozitou. Za třetí, extrakční účinek mazacího oleje na přísady způsobuje, že rychlost migrace přísad v pryži je rychlejší.
Při použití jako těsnící materiál podléhá pryž namáhání a časem se uvolňuje. Gillen a kol. ze Sandia National Laboratory studovali chování butylového kaučuku při určité deformaci při různých teplotách a zjistili, že míra relaxace napětí byla za namáhaných podmínek výrazně zrychlena.
Při použití pryžových těsnicích materiálů v situacích dynamického těsnění a mazání je třeba vzít v úvahu třecí a opotřebení pryžové vlastnosti. Koeficient tření pryže je společný příspěvek kapaliny, adheze a deformace. Adheze je spojení a destrukce na molekulární úrovni a klesá s modulem pružnosti, funkcí viskoelasticity. Hysteretické tření pryže je energeticky náročný proces, doprovázený vnitřním tlumením, ale zvyšuje se se snižujícím se modulem pružnosti. Opotřebení je lokalizované poškození, výsledek rozpadu zesíťované sítě na menší molekuly. Pokud se jedná o ostrý povrch, opotřebení povede k porušení tahem; pokud se jedná o tupý povrch, povede to k únavovému selhání. Různá olejová média mají různé účinky na vlastnosti tření a opotřebení pryže. Například esterový základový olej zhoršuje mechanické vlastnosti NBR vážněji než minerální olej a polyolefinový syntetický olej (PAO).