Eșecul îmbătrânirii și prognoza de viață a materialelor polimerice

Eșecul îmbătrânirii și prognoza de viață a materialelor polimerice
În timpul depozitării și utilizării, materialele polimerice vor fi afectate de diverși factori de mediu (cum ar fi lumina ultravioletă, căldură, umiditate, ozon, microorganisme etc.) și condiții de lucru (cum ar fi stres, câmp electric, câmp magnetic, medii etc.) Degradarea fotooxigenului, degradarea termică, degradarea chimică, degradarea biologică etc., duc la scăderea treptată a diferitelor proprietăți până la distrugere. Prin urmare, este de mare importanță să se studieze mecanismul de deteriorare a îmbătrânirii și predicția de viață a materialelor polimerice. Luând ca exemplu materialele de etanșare din cauciuc, produsele realizate din acesta, cum ar fi garnituri, inele O, cupe, garnituri de ulei, supape etc., sunt adesea în poziții cheie în echipamentele mecanice și, în același timp, sunt adesea cele slabe. legături ale componentelor sau ansamblurilor. Dacă își pierde capacitatea de etanșare, trebuie dezasamblat și înlocuit, altfel întregul produs poate fi casat.
Esența îmbătrânirii cauciucului este legarea încrucișată sau ruperea lanțurilor moleculare de cauciuc, care este în mare parte un mecanism de oxidare autocatalitică. Tipul și compoziția cauciucului brut determină în mare măsură stabilitatea la îmbătrânire a produsului. De exemplu, rezistența la căldură a cauciucului siliconic și a cauciucului fluor este mai bună decât cea a cauciucului nitril butadienă (NBR); rezistența la căldură a cauciucului nitril butadien hidrogenat (HNBR) Cu cât saturația este mai mare, cu atât stabilitatea termică este mai bună; pe măsură ce crește conținutul de acrilonitril (AN), rezistența la ulei și rezistența la îmbătrânire a NBR cresc, dar în același timp scad performanța sa de etanșare și rezistența la temperaturi scăzute. Sistemul de vulcanizare a cauciucului, sistemul de stabilizare, materialele de umplutură și plastifianții vor afecta toate proprietățile de îmbătrânire ale matricei. Pentru cauciucul siliconic sau cauciucul poliuretanic care este ușor hidrolizat sau are o anumită hidrofilitate, umiditatea îi va accelera îmbătrânirea. În timpul utilizării, materialele de etanșare din cauciuc trebuie adesea să reziste la o anumită cantitate de deformare și să vină în contact cu mediile de ulei. Acest lucru face ca procesul de îmbătrânire a materialului să nu fie doar un proces de degradare termo-oxidativă, ci și influența mediului uleios și a stresului.
Durata de viață a cauciucului este de obicei evaluată printr-un test de îmbătrânire termică accelerată cu oxigen, adică un test de îmbătrânire accelerată este efectuat la o temperatură mai mare, iar durata de viață este prezisă prin extrapolarea rezultatelor măsurătorii la temperatura de utilizare (de serviciu) folosind formula Arrhenius . Acest lucru necesită ca mecanismul care duce la degradare să nu se modifice în intervalul de temperatură investigat. În cele mai multe cazuri, metoda Arrhenius s-a dovedit a fi aplicabilă, dar mulți cercetători au raportat că comportamentul Non-Arrhenius al îmbătrânirii cauciucului nu este complet aplicabil. De exemplu, când Bernstein și colab. au studiat îmbătrânirea accelerată a fluorosiliconului, ei au descoperit că curba Arrhenius a comportamentului său de relaxare a stresului compresiv a deviat la 80 de grade, determinând segmentele de temperatură ridicată și temperatură joasă să prezinte două energii de activare (73 kJ·mol-1 și 29kJ). ·mol-1). Calculată din energia de activare a secțiunii de temperatură joasă, durata de viață corespunzătoare unei pierderi de performanță de 50% este de 17 ani, în timp ce durata de viață extrapolată direct din energia de activare a secțiunii de temperatură înaltă este de până la 900 de ani. Editarea, editarea și retipărirea de către Jiayu Testing Network trebuie să indice sursa. O astfel de diferență uriașă indică faptul că condițiile reale de îmbătrânire sunt diferite de îmbătrânirea accelerată, ceea ce duce la modificări ale mecanismului de îmbătrânire sau modificări ale mecanismului de îmbătrânire în diferite intervale de temperatură, ceea ce va face ca rezultatele extrapolării simple să fie nesigure. Cu toate acestea, activitatea de cercetare actuală pornește în mare parte de la nevoile reale ale aplicațiilor de inginerie, concentrându-se pe proprietățile mecanice (cum ar fi rezistența, duritatea, deformarea permanentă la compresiune, relaxarea tensiunilor, rata de recuperare elastică etc.), privind mecanismul de îmbătrânire a cauciucului în diferite condiții. . Cercetările sunt rareori implicate, ceea ce înseamnă că predicția vieții încă folosește metoda de îmbătrânire termică accelerată a oxigenului. Există lacune considerabile de cercetare în ceea ce privește impactul condițiilor complexe de temperatură și umiditate, efecte de stres, efecte medii etc. în mediul cauciuc.
În timpul procesului de oxidare termică, cauciucul va genera diferiți produse de oxidare, care sunt în mod evident distribuite în direcția grosimii produsului, iar densitatea de reticulare se va modifica și ea. După ce a efectuat cercetări aprofundate asupra comportamentului de îmbătrânire termică a oxigenului și mecanismului NBR în aer și ulei lubrifiant, autorul a constatat că procesul de îmbătrânire a NBR în aer poate fi împărțit în trei etape. Prima etapă este în principal migrarea aditivilor (plastifianți, antioxidanți etc.). În a doua etapă domină reacția de oxidare și reacția de reticulare, manifestată prin creșterea gradului de reticulare și a durității, în timp ce viteza de recuperare elastică scade. În cea de-a treia etapă a îmbătrânirii târzii prin oxidare termică, oxidarea severă poate provoca chiar ruperea lanțurilor moleculare. Cu toate acestea, în acest moment, elasticitatea NBR a fost aproape complet pierdută și nu poate fi folosit ca material de etanșare. În acest proces, modificarea conținutului de antioxidanți este un indicator foarte important. Când conținutul său scade la o valoare critică, rata de recuperare elastică va scădea brusc, iar duritatea va crește brusc, făcându-l să-și piardă performanța. Când NBR este îmbătrânit termic în uleiul lubrifiant, în primul rând, datorită difuzării uleiului lubrifiant în cauciuc, cauciucul poate menține proprietăți bune de rezistență pentru o lungă perioadă de timp. În al doilea rând, deși uleiul lubrifiant împiedică într-o anumită măsură difuzia oxigenului, gradul de oxidare în ulei este mai mare datorită mobilității crescute a lanțurilor moleculare de cauciuc. Dacă același tip de ulei are vâscozități diferite, gradul de oxidare în uleiul cu vâscozitate scăzută va fi mai mare decât în ​​uleiul cu vâscozitate mare. În al treilea rând, efectul de extracție al uleiului lubrifiant asupra aditivilor face ca viteza de migrare a aditivilor în cauciuc să fie mai rapidă.
Când este folosit ca material de etanșare, cauciucul este supus stresului și se relaxează în timp. Gillen şi colab. de la Laboratorul Național Sandia a studiat comportamentul de relaxare a stresului al cauciucului butilic cu o anumită deformare la diferite temperaturi și a constatat că rata de relaxare a stresului a fost accelerată semnificativ în condiții de tensiune.
Atunci când materialele de etanșare din cauciuc sunt utilizate în situații dinamice de etanșare și lubrifiere, trebuie luate în considerare proprietățile de frecare și uzură ale cauciucului. Coeficientul de frecare al cauciucului este aportul comun de lichid, aderență și deformare. Aderența este conexiune și distrugere la nivel molecular și scade cu modulul elastic, în funcție de vâscoelasticitate. Frecarea histeretică a cauciucului este un proces consumator de energie, însoțit de amortizare internă, dar crește pe măsură ce modulul elastic scade. Uzura este o deteriorare localizată, rezultatul defalcării rețelei reticulate în molecule mai mici. Dacă este o suprafață ascuțită, uzura va duce la defecțiune la tracțiune; dacă este o suprafață tocită, va duce la cedarea prin oboseală. Diferitele medii de ulei au efecte diferite asupra frecării și proprietăților de uzură ale cauciucului. De exemplu, uleiul pe bază de ester degradează proprietățile mecanice ale NBR mai grav decât uleiul mineral și uleiul sintetic de poliolefină (PAO).