Polymeerimateriaalien ikääntymisen epäonnistuminen ja eliniän ennustaminen

Polymeerimateriaalien ikääntymisvika ja käyttöiän ennustaminen
Varastoinnin ja käytön aikana polymeerimateriaaleihin vaikuttavat erilaiset ympäristötekijät (kuten ultraviolettivalo, lämpö, ​​kosteus, otsoni, mikro-organismit jne.) ja työolosuhteet (kuten stressi, sähkökenttä, magneettikenttä, väliaineet jne.) Fotohapen hajoaminen, lämpöhajoaminen, kemiallinen hajoaminen, biologinen hajoaminen jne. johtavat erilaisten ominaisuuksien asteittaiseen heikkenemiseen tuhoutumiseen asti. Siksi on erittäin tärkeää tutkia polymeerimateriaalien ikääntymisvauriomekanismia ja eliniän ennustamista. Esimerkkinä kumitiivistemateriaalit, niistä valmistetut tuotteet, kuten tiivisteet, O-renkaat, kupit, öljytiivisteet, venttiilit jne., ovat usein mekaanisten laitteiden avainasennoissa ja samalla usein heikkoja. komponenttien tai kokoonpanojen linkit. Jos se menettää tiivistyskykynsä, se on purettava ja vaihdettava, muuten koko tuote voidaan romuttaa.
Kumin ikääntymisen ydin on kumin molekyyliketjujen silloittuminen tai katkeaminen, mikä on enimmäkseen autokatalyyttinen hapetusmekanismi. Kumin raakakumin tyyppi ja koostumus määräävät suurelta osin tuotteen ikääntymiskestävyyden. Esimerkiksi silikonikumin ja fluorikumin lämmönkestävyys on parempi kuin nitriilibutadieenikumin (NBR); hydratun nitriilibutadieenikumin (HNBR) lämmönkestävyys Mitä korkeampi saturaatio, sitä parempi lämpöstabiilisuus; akryylinitriilin (AN) pitoisuuden kasvaessa NBR:n öljynkestävyys ja ikääntymisenkestävyys lisääntyvät, mutta samalla sen tiivistyskyky ja alhaisen lämpötilan kestävyys heikkenevät. Kumin vulkanointijärjestelmä, stabilointijärjestelmä, täyteaineet ja pehmittimet vaikuttavat kaikki matriisin ikääntymisominaisuuksiin. Silikonikumin tai polyuretaanikumin, joka hydrolysoituu helposti tai jolla on tietty hydrofiilisyys, kosteus nopeuttaa sen ikääntymistä. Käytön aikana kumitiivistemateriaalien on usein kestettävä tiettyjä muodonmuutoksia ja jouduttava kosketuksiin öljyväliaineiden kanssa. Tämä tekee materiaalin ikääntymisprosessista paitsi lämpöoksidatiivisen hajoamisprosessin, myös öljyväliaineen ja stressin vaikutuksen.
Kumin käyttöikää arvioidaan yleensä nopeutetulla terminen happivanhenemistestillä, eli nopeutettu vanhenemistesti suoritetaan korkeammassa lämpötilassa ja käyttöikä ennustetaan ekstrapoloimalla mittaustulokset käyttö- (käyttö)lämpötilaan Arrhenius-kaavan avulla. . Tämä edellyttää, että hajoamiseen johtava mekanismi ei muutu tutkittavalla lämpötila-alueella. Useimmissa tapauksissa Arrhenius-menetelmä on osoittautunut käyttökelpoiseksi, mutta monet tutkijat ovat raportoineet, että kumin ikääntymisen ei-Arrhenius-käyttäytyminen ei ole täysin sovellettavissa. Esimerkiksi kun Bernstein et ai. tutkiessaan fluorosilikonin nopeutettua ikääntymistä, he havaitsivat, että sen puristusjännityksen rentoutumiskäyttäytymisen Arrhenius-käyrä poikkesi 80 asteessa, jolloin korkean lämpötilan ja matalan lämpötilan segmentit osoittivat kaksi aktivaatioenergiaa (73 kJ·mol-1 ja 29 kJ ·mol-1). Matalan lämpötilan osan aktivointienergiasta laskettuna 50 % suorituskyvyn menetystä vastaava elinikä on 17 vuotta, kun taas korkean lämpötilan osan aktivointienergiasta suoraan ekstrapoloitu elinikä on jopa 900 vuotta. Jiayu Testing Networkin editoinnissa, muokkauksessa ja uudelleentulostuksessa on ilmoitettava lähde. Tällainen valtava ero osoittaa, että todelliset ikääntymisolosuhteet poikkeavat nopeutetusta vanhenemisesta, mikä johtaa muutoksiin ikääntymismekanismissa tai ikääntymismekanismin muutoksiin eri lämpötila-alueilla, mikä tekee yksinkertaisista ekstrapolointituloksista epäluotettavia. Nykyinen tutkimustyö lähtee kuitenkin pääosin teknisten sovellusten todellisista tarpeista keskittyen mekaanisiin ominaisuuksiin (kuten lujuus, kovuus, puristuspysyvä muodonmuutos, jännitysrelaksaatio, elastinen palautumisnopeus jne.) liittyen kumin ikääntymismekanismiin erilaisissa olosuhteissa. . Tutkimus on harvoin mukana, mikä tarkoittaa, että elämän ennustamisessa käytetään edelleen nopeutettua lämpöhappivanhenemismenetelmää. Monimutkaisten lämpötila- ja kosteusolosuhteiden, jännitysvaikutusten, väliainevaikutusten jne. vaikutuksissa kumiympäristössä on huomattavia tutkimusaukkoja.
Lämpöhapetusprosessin aikana kumista muodostuu erilaisia ​​hapetustuotteita, jotka ovat selvästi jakautuneet tuotteen paksuussuunnassa, ja myös sen silloitustiheys muuttuu. Suoritettuaan perusteellisen tutkimuksen NBR:n lämpöhappivanhenemiskäyttäytymisestä ja mekanismista ilmassa ja voiteluöljyssä, kirjoittaja havaitsi, että NBR:n ikääntymisprosessi ilmassa voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen. Ensimmäinen vaihe on pääasiassa lisäaineiden (pehmittimet, antioksidantit jne.) kulkeutuminen. Toisessa vaiheessa hapetusreaktio ja silloitusreaktio hallitsevat, mikä ilmenee silloittumisasteen ja kovuuden kasvuna, kun taas elastinen palautumisnopeus laskee. Myöhäisen lämpöhapetuksen ikääntymisen kolmannessa vaiheessa vakava hapettuminen voi jopa aiheuttaa molekyyliketjujen katkeamisen. Tällä hetkellä NBR:n elastisuus on kuitenkin menetetty lähes kokonaan, eikä sitä voida käyttää tiivistemateriaalina. Tässä prosessissa antioksidanttipitoisuuden muutos on erittäin tärkeä indikaattori. Kun sen pitoisuus laskee kriittiseen arvoon, elastinen palautumisaste laskee jyrkästi ja kovuus nousee jyrkästi, jolloin se menettää suorituskykynsä. Kun NBR:ää vanhennetaan lämpökäsittelyssä voiteluöljyssä, ennen kaikkea voiteluöljyn kumiin diffuusion vuoksi kumi voi säilyttää hyvät kimmoisuusominaisuudet pitkään. Toiseksi, vaikka voiteluöljy estää jossain määrin hapen diffuusiota, öljyn hapettumisaste on korkeampi kumin molekyyliketjujen lisääntyneen liikkuvuuden vuoksi. Jos saman tyyppisellä öljyllä on eri viskositeetti, alhaisen viskositeetin öljyn hapetusaste on korkeampi kuin korkeaviskoosisen öljyn. Kolmanneksi voiteluöljyn uuttovaikutus lisäaineisiin saa kumissa olevien lisäaineiden kulkeutumisnopeuden nopeutumaan.
Tiivistemateriaalina käytettynä kumi altistuu rasitukselle ja rentoutuu ajan myötä. Gillen et ai. Sandia National Laboratorysta tutki butyylikumin jännitysrelaksaatiokäyttäytymistä tietyllä jännityksellä eri lämpötiloissa ja havaitsi, että stressin rentoutumisnopeus nopeutui merkittävästi jännittyneissä olosuhteissa.
Käytettäessä kumitiivistemateriaaleja dynaamisissa tiivistys- ja voitelutilanteissa tulee ottaa huomioon kumin kitka- ja kulumisominaisuudet. Kumin kitkakerroin on nesteen, adheesion ja muodonmuutosten yhteisvaikutus. Adheesio on yhdistämistä ja tuhoutumista molekyylitasolla, ja se vähenee kimmomoduulin myötä, joka on viskoelastisuuden funktio. Kumin hystereettinen kitka on energiaa kuluttava prosessi, johon liittyy sisäinen vaimennus, mutta se kasvaa kimmomoduulin pienentyessä. Kuluminen on paikallista vauriota, joka johtuu silloitetun verkon hajoamisesta pienemmiksi molekyyleiksi. Jos pinta on terävä, kuluminen johtaa vetovaurioon; jos se on tylppä pinta, se johtaa väsymisvikaan. Eri öljyväliaineilla on erilainen vaikutus kumin kitka- ja kulumisominaisuuksiin. Esimerkiksi esteriperusöljy heikentää NBR:n mekaanisia ominaisuuksia vakavammin kuin mineraaliöljy ja polyolefiini synteettinen öljy (PAO).