Otkazivanje starenja i predviđanje životnog vijeka polimernih materijala

Otkazivanje starenja i predviđanje životnog vijeka polimernih materijala
Tijekom skladištenja i upotrebe na polimerne materijale će utjecati različiti čimbenici iz okoline (kao što su ultraljubičasto svjetlo, toplina, vlaga, ozon, mikroorganizmi itd.) i radni uvjeti (kao što su stres, električno polje, magnetsko polje, mediji itd.) Fotokisikova degradacija, toplinska degradacija, kemijska degradacija, biološka degradacija itd., dovode do postupnog opadanja različitih svojstava do uništenja. Stoga je od velike važnosti proučavanje mehanizma kvara starenjem i predviđanje životnog vijeka polimernih materijala. Uzimajući gumene brtvene materijale kao primjer, proizvodi izrađeni od njih, kao što su brtve, O-prstenovi, čašice, uljne brtve, ventili itd., često su na ključnim mjestima u mehaničkoj opremi, au isto vrijeme su često slabi veze komponenti ili sklopova. Ako izgubi sposobnost brtvljenja, mora se rastaviti i zamijeniti, inače cijeli proizvod može biti bačen.
Bit starenja gume je umrežavanje ili kidanje molekularnih lanaca gume, što je uglavnom autokatalitički oksidacijski mehanizam. Vrsta i sastav sirove gume u velikoj mjeri određuju stabilnost proizvoda na starenje. Na primjer, otpornost na toplinu silikonske gume i fluorne gume bolja je od otpornosti nitril butadien gume (NBR); otpornost na toplinu hidrogenirane nitril butadien gume (HNBR) Što je veća zasićenost, to je bolja toplinska stabilnost; kako se sadržaj akrilonitrila (AN) povećava, otpornost na ulje i otpornost na starenje NBR-a se povećava, ali se u isto vrijeme smanjuje njegova učinkovitost brtvljenja i otpornost na niske temperature. Sustav vulkanizacije gume, stabilizirajući sustav, punila i plastifikatori utjecat će na svojstva starenja matrice. Za silikonsku gumu ili poliuretansku gumu koja se lako hidrolizira ili ima određenu hidrofilnost, vlaga će ubrzati njeno starenje. Tijekom uporabe, gumeni materijali za brtvljenje često moraju izdržati određenu količinu deformacije i doći u kontakt s uljnim medijima. To čini proces starenja materijala ne samo termooksidativnim procesom razgradnje, već i utjecajem uljnog medija i stresa.
Životni vijek gume obično se procjenjuje kroz ubrzani test starenja toplinskim kisikom, odnosno, ubrzani test starenja se izvodi na višoj temperaturi, a životni vijek se predviđa ekstrapolacijom rezultata mjerenja na radnu (uslužnu) temperaturu pomoću Arrheniusove formule . Ovo zahtijeva da se mehanizam koji dovodi do razgradnje ne mijenja unutar temperaturnog raspona koji se ispituje. U većini slučajeva dokazano je da je Arrheniusova metoda primjenjiva, ali mnogi su istraživači izvijestili da ne-Arrheniusovo ponašanje starenja gume nije u potpunosti primjenjivo. Na primjer, kada su Bernstein i sur. proučavajući ubrzano starenje fluorosilikona, otkrili su da Arrheniusova krivulja njegovog ponašanja pri opuštanju tlačnog naprezanja odstupa za 80 stupnjeva, uzrokujući da visokotemperaturni i niskotemperaturni segmenti pokazuju dvije energije aktivacije (73kJ·mol-1 i 29kJ ·mol-1). Izračunato iz energije aktivacije niskotemperaturne sekcije, životni vijek koji odgovara 50% gubitka performansi je 17 godina, dok je životni vijek izravno ekstrapoliran iz energije aktivacije sekcije visoke temperature čak 900 godina. Uređivanje, uređivanje i ponovno ispisivanje od strane Jiayu Testing Network mora navesti izvor. Ovako velika razlika ukazuje da se stvarni uvjeti starenja razlikuju od ubrzanog starenja, što rezultira promjenama u mehanizmu starenja ili promjenama u mehanizmu starenja u različitim temperaturnim rasponima, što će rezultate jednostavne ekstrapolacije učiniti nepouzdanima. Međutim, trenutni istraživački rad uglavnom polazi od stvarnih potreba inženjerskih primjena, usredotočujući se na mehanička svojstva (kao što su čvrstoća, tvrdoća, trajna deformacija pri kompresiji, relaksacija naprezanja, brzina oporavka elastičnosti itd.), s obzirom na mehanizam starenja gume pod različitim uvjetima . Istraživanja su rijetko uključena, što znači da predviđanje života još uvijek koristi metodu ubrzanog toplinskog starenja kisikom. Postoje znatne praznine u istraživanju utjecaja složenih uvjeta temperature i vlažnosti, učinaka naprezanja, srednjih učinaka itd. u okruženju gume.
Tijekom procesa toplinske oksidacije, guma će generirati različite oksidacijske produkte, koji su očito raspoređeni u smjeru debljine proizvoda, a također će se promijeniti i njegova gustoća umreženosti. Nakon provođenja dubinskog istraživanja o ponašanju toplinskog kisika pri starenju i mehanizmu NBR-a u zraku i ulju za podmazivanje, autor je otkrio da se proces starenja NBR-a u zraku može podijeliti u tri faze. Prva faza je uglavnom migracija aditiva (plastifikatora, antioksidansa itd.). U drugom stupnju dominiraju reakcija oksidacije i reakcija umrežavanja, što se očituje povećanjem stupnja umreženosti i tvrdoće, dok se brzina oporavka elastičnosti smanjuje. U trećoj fazi kasnog starenja toplinskom oksidacijom, jaka oksidacija može čak uzrokovati kidanje molekularnih lanaca. Međutim, u ovom trenutku, elastičnost NBR-a je gotovo potpuno izgubljena i ne može se koristiti kao brtveni materijal. U ovom procesu, promjena sadržaja antioksidansa je vrlo važan pokazatelj. Kada njegov sadržaj padne na kritičnu vrijednost, brzina oporavka elastičnosti će naglo pasti, a tvrdoća će naglo porasti, uzrokujući gubitak performansi. Kada NBR termički stari u ulju za podmazivanje, prije svega, zbog difuzije ulja za podmazivanje u gumu, guma može dugo zadržati dobra svojstva elastičnosti. Drugo, iako ulje za podmazivanje u određenoj mjeri sprječava difuziju kisika, stupanj oksidacije u ulju je veći zbog povećane pokretljivosti molekularnih lanaca gume. Ako je ista vrsta ulja različite viskoznosti, stupanj oksidacije u ulju niske viskoznosti bit će veći nego u ulju visoke viskoznosti. Treće, učinak ekstrakcije ulja za podmazivanje na aditive uzrokuje bržu brzinu migracije aditiva u gumi.
Kada se koristi kao materijal za brtvljenje, guma je podložna naprezanju i opušta se tijekom vremena. Gillen i sur. iz Nacionalnog laboratorija Sandia proučavali su ponašanje butilne gume pri opuštanju naprezanja s određenom deformacijom na različitim temperaturama i otkrili da je stopa opuštanja naprezanja značajno ubrzana u uvjetima naprezanja.
Kada se gumeni materijali za brtvljenje koriste u situacijama dinamičkog brtvljenja i podmazivanja, moraju se uzeti u obzir svojstva trenja i trošenja gume. Koeficijent trenja gume zajednički je doprinos tekućine, adhezije i deformacije. Adhezija je spajanje i razaranje na molekularnoj razini i smanjuje se s modulom elastičnosti, funkcijom viskoelastičnosti. Histerezno trenje gume je proces koji troši energiju, praćen unutarnjim prigušenjem, ali se povećava kako se smanjuje modul elastičnosti. Trošenje je lokalizirano oštećenje, rezultat raspada umrežene mreže na manje molekule. Ako se radi o oštroj površini, trošenje će dovesti do vlačnog loma; ako je to tupa površina, to će dovesti do kvara uslijed zamora. Različiti uljni mediji imaju različite učinke na svojstva trenja i trošenja gume. Na primjer, estersko bazno ulje ozbiljnije degradira mehanička svojstva NBR-a od mineralnog ulja i poliolefinskog sintetičkog ulja (PAO).