Polümeermaterjalide vananemise ebaõnnestumine ja eluea prognoosimine

Polümeermaterjalide vananemistõrge ja eluea prognoosimine
Ladustamise ja kasutamise ajal mõjutavad polümeermaterjale erinevad keskkonnategurid (nagu ultraviolettvalgus, kuumus, niiskus, osoon, mikroorganismid jne) ja töötingimused (nagu stress, elektriväli, magnetväli, keskkond jne). Fotohapniku lagunemine, termiline lagunemine, keemiline lagunemine, bioloogiline lagunemine jne põhjustavad erinevate omaduste järkjärgulist langust kuni hävitamiseni. Seetõttu on väga oluline uurida polümeermaterjalide vananemishäirete mehhanismi ja eluea prognoosi. Kui võtta näiteks kummist tihendusmaterjalid, siis sellest valmistatud tooted, nagu tihendid, O-rõngad, tassid, õlitihendid, ventiilid jne, on mehaanilistes seadmetes sageli võtmepositsioonidel ja samas sageli nõrgemad. komponentide või koostude lingid. Kui see kaotab tihendusvõime, tuleb see lahti võtta ja välja vahetada, vastasel juhul võidakse kogu toode vanarauaks minna.
Kummi vananemise olemus on kummi molekulaarahelate ristsidumine või purunemine, mis on enamasti autokatalüütiline oksüdatsioonimehhanism. Kummi toorkummi tüüp ja koostis määrab suurel määral toote vananemisstabiilsuse. Näiteks silikoonkummi ja fluorikummi kuumakindlus on parem kui nitriilbutadieenkummil (NBR); hüdrogeenitud nitriilbutadieenkummi (HNBR) kuumakindlus Mida suurem on küllastus, seda parem on termiline stabiilsus; kui akrüülnitriili (AN) sisaldus suureneb, suureneb NBR õlikindlus ja vananemiskindlus, kuid samal ajal väheneb selle tihendusvõime ja vastupidavus madalale temperatuurile. Kummi vulkaniseerimissüsteem, stabiliseerimissüsteem, täiteained ja plastifikaatorid mõjutavad kõik maatriksi vananemisomadusi. Kergesti hüdrolüüsitava või teatud hüdrofiilsusega silikoonkummi või polüuretaankummi puhul kiirendab niiskus selle vananemist. Kasutamise ajal peavad kummist tihendusmaterjalid sageli taluma teatud deformatsiooni ja puutuma kokku õlikeskkonnaga. See muudab materjali vananemisprotsessi mitte ainult termooksüdatiivseks lagunemisprotsessiks, vaid ka õlikeskkonna ja stressi mõju.
Kummi eluiga hinnatakse tavaliselt kiirendatud termilise hapnikuvanandamise katsega, st kiirendatud vananemiskatse tehakse kõrgemal temperatuuril ning eluiga ennustatakse mõõtmistulemuste ekstrapoleerimisel kasutus (kasutus)temperatuurile, kasutades Arrheniuse valemit. . See eeldab, et lagunemiseni viiv mehhanism ei muutuks uuritavas temperatuurivahemikus. Enamikul juhtudel on tõestatud, et Arrheniuse meetod on rakendatav, kuid paljud teadlased on teatanud, et kummi vananemise mitte-Arrheniuse käitumine ei ole täielikult rakendatav. Näiteks kui Bernstein et al. uurides fluorosilikooni kiirendatud vananemist, leidsid nad, et selle survepinge lõdvestumiskäitumise Arrheniuse kõver kaldus kõrvale 80 kraadi juures, mistõttu kõrge ja madala temperatuuriga segmendid näitasid kahte aktivatsioonienergiat (73 kJ·mol-1 ja 29 kJ ·mol-1). Madala temperatuuriga sektsiooni aktiveerimisenergiast arvutatuna on 50% jõudluse kadumisele vastav eluiga 17 aastat, samas kui kõrge temperatuuriga sektsiooni aktiveerimisenergiast otseselt ekstrapoleeritav eluiga on koguni 900 aastat. Jiayu Testing Networki toimetamine, toimetamine ja kordustrükk peab näitama allikat. Selline tohutu erinevus näitab, et tegelikud vananemistingimused erinevad kiirendatud vananemisest, mille tulemuseks on muutused vananemismehhanismis või vananemismehhanismi muutused erinevates temperatuurivahemikes, mis muudab lihtsad ekstrapoleerimise tulemused ebausaldusväärseks. Praegune uurimistöö lähtub aga enamasti insenertehniliste rakenduste tegelikest vajadustest, keskendudes mehaanilistele omadustele (nagu tugevus, kõvadus, kompressiooni jäävdeformatsioon, pingete lõdvestumine, elastse taastumise määr jne), mis puudutab kummi vananemismehhanismi erinevates tingimustes. . Teadusuuringuid kaasatakse harva, mis tähendab, et elu ennustamisel kasutatakse endiselt kiirendatud termilise hapniku vananemise meetodit. Kummikeskkonna keeruliste temperatuuri- ja niiskustingimuste, stressimõjude, keskmiste mõjude jms mõjus on märkimisväärseid uurimislünki.
Termilise oksüdatsiooni käigus tekib kummist erinevaid oksüdatsiooniprodukte, mis on ilmselgelt jaotunud toote paksuse suunas ning muutub ka selle ristsidumise tihedus. Pärast põhjalikku uurimist NBR termilise hapniku vananemise käitumise ja mehhanismi kohta õhus ja määrdeõlis leidis autor, et NBR vananemisprotsessi õhus saab jagada kolme etappi. Esimene etapp on peamiselt lisandite (plastifikaatorid, antioksüdandid jne) migratsioon. Teises etapis domineerivad oksüdatsioonireaktsioon ja ristsidumise reaktsioon, mis väljendub ristsidumise astme ja kõvaduse suurenemises, samal ajal kui elastse taastumise kiirus väheneb. Hilise termilise oksüdatsiooni vananemise kolmandas etapis võib tõsine oksüdatsioon isegi põhjustada molekulaarahelate katkemist. Praeguseks on aga NBR-i elastsus peaaegu täielikult kadunud ja seda ei saa kasutada tihendusmaterjalina. Selles protsessis on antioksüdantide sisalduse muutus väga oluline näitaja. Kui selle sisaldus langeb kriitilise väärtuseni, langeb elastse taastumise määr järsult ja kõvadus tõuseb järsult, mistõttu see kaotab oma jõudluse. NBR-i termiliselt vanandamisel määrdeõlis suudab kumm ennekõike tänu määrdeõli difusioonile kummile säilitada head vetruvusomadused pikka aega. Teiseks, kuigi määrdeõli takistab teatud määral hapniku difusiooni, on oksüdatsiooniaste õlis kõrgem tänu kummi molekulaarahelate suurenenud liikuvusele. Kui sama tüüpi õli on erineva viskoossusega, on madala viskoossusega õli oksüdatsiooniaste kõrgem kui kõrge viskoossusega õlis. Kolmandaks põhjustab määrdeõli ekstraheerimisefekt lisanditele kiirema lisandite migratsioonikiiruse kummis.
Tihendusmaterjalina kasutamisel on kumm pinge all ja aja jooksul lõdvestub. Gillen et al. Sandia National Laboratory uuris teatud pingega butüülkummi stressi lõdvestumiskäitumist erinevatel temperatuuridel ja leidis, et pingete lõdvestumiskiirus kiirenes pingelistes tingimustes oluliselt.
Kummist tihendusmaterjalide kasutamisel dünaamilistes tihendus- ja määrimisolukordades tuleb arvestada kummi hõõrde- ja kulumisomadustega. Kummi hõõrdetegur on vedeliku, adhesiooni ja deformatsiooni ühine panus. Adhesioon on ühendamine ja hävitamine molekulaarsel tasemel ning väheneb elastsusmooduliga, mis on viskoelastsuse funktsioon. Kummi hüstereetiline hõõrdumine on energiakulukas protsess, millega kaasneb sisemine sumbumine, kuid see suureneb elastsusmooduli vähenedes. Kulumine on lokaalne kahjustus, mis on tingitud ristseotud võrgu lagunemisest väiksemateks molekulideks. Kui see on terav pind, põhjustab kulumine tõmbetugevust; kui see on nüri pind, põhjustab see väsimust. Erinevatel õlikandjatel on erinev mõju kummi hõõrde- ja kulumisomadustele. Näiteks esterbaasõli halvendab NBR mehaanilisi omadusi tõsisemalt kui mineraalõli ja polüolefiinsünteetiline õli (PAO).