Odpoved staranja in napoved življenjske dobe polimernih materialov

Odpoved staranja in napovedovanje življenjske dobe polimernih materialov
Med shranjevanjem in uporabo bodo na polimerne materiale vplivali različni okoljski dejavniki (kot so ultravijolična svetloba, toplota, vlaga, ozon, mikroorganizmi itd.) in delovni pogoji (kot so stres, električno polje, magnetno polje, mediji itd.) Fotokisikova razgradnja, termična razgradnja, kemična razgradnja, biološka razgradnja itd. vodijo v postopno upadanje različnih lastnosti do uničenja. Zato je zelo pomembno preučiti mehanizem odpovedi staranja in napovedovanje življenjske dobe polimernih materialov. Če vzamemo kot primer gumijaste tesnilne materiale, so izdelki iz njih, kot so tesnila, O-tesnila, skodelice, oljna tesnila, ventili itd., pogosto na ključnih mestih v mehanski opremi, hkrati pa so pogosto šibki. povezave komponent ali sklopov. Če izgubi sposobnost tesnjenja, ga je treba razstaviti in zamenjati, sicer lahko gre celoten izdelek v odpad.
Bistvo staranja gume je zamreženje oziroma prekinitev molekularnih verig gume, kar je večinoma mehanizem avtokatalitske oksidacije. Vrsta in sestava surove gume v veliki meri določata stabilnost izdelka pri staranju. Na primer, toplotna odpornost silikonskega kavčuka in fluorovega kavčuka je boljša od odpornosti nitril butadien kavčuka (NBR); toplotna odpornost hidrogeniranega nitril butadien kavčuka (HNBR) Višja kot je nasičenost, boljša je toplotna stabilnost; ko se vsebnost akrilonitrila (AN) poveča, se povečata odpornost NBR na olje in staranje, hkrati pa se njegova tesnilna zmogljivost in odpornost na nizke temperature zmanjšata. Sistem vulkanizacije gume, stabilizacijski sistem, polnila in mehčala bodo vplivali na lastnosti staranja matrice. Za silikonsko gumo ali poliuretansko gumo, ki je zlahka hidrolizirana ali ima določeno hidrofilnost, bo vlaga pospešila njeno staranje. Med uporabo morajo gumijasti tesnilni materiali pogosto prenesti določeno količino deformacij in priti v stik z oljnimi mediji. Zaradi tega proces staranja materiala ni le proces termooksidativne razgradnje, temveč tudi vpliv oljnih medijev in stresa.
Življenjska doba gume se običajno ocenjuje s pospešenim preskusom termičnega staranja s kisikom, kar pomeni, da se preskus pospešenega staranja izvede pri višji temperaturi, življenjska doba pa se napove z ekstrapolacijo rezultatov meritev na temperaturo uporabe (delovanja) z uporabo Arrheniusove formule . To zahteva, da se mehanizem, ki vodi do razgradnje, ne spremeni v raziskanem temperaturnem območju. V večini primerov se je Arrheniusova metoda izkazala za uporabno, vendar so številni raziskovalci poročali, da ne-Arrheniusovo vedenje staranja gume ni popolnoma uporabno. Na primer, ko so Bernstein et al. proučevali pospešeno staranje fluorosilikona, so ugotovili, da je Arrheniusova krivulja njegovega vedenja pri sprostitvi tlačne napetosti odstopala pri 80 stopinjah, kar je povzročilo, da visokotemperaturni in nizkotemperaturni segmenti kažejo dve aktivacijski energiji (73kJ·mol-1 in 29kJ ·mol-1). Izračunano iz nizkotemperaturne aktivacijske energije odseka, je življenjska doba, ki ustreza 50-odstotni izgubi zmogljivosti, 17 let, medtem ko je življenjska doba, ekstrapolirana neposredno iz visokotemperaturne aktivacijske energije, dolga kar 900 let. Urejanje, urejanje in ponatis s strani Jiayu Testing Network mora navesti vir. Tako velika razlika kaže, da se dejanski pogoji staranja razlikujejo od pospešenega staranja, ki ima za posledico spremembe v mehanizmu staranja, ali spremembe v mehanizmu staranja v različnih temperaturnih območjih, zaradi česar bodo rezultati preproste ekstrapolacije nezanesljivi. Vendar pa trenutno raziskovalno delo večinoma izhaja iz dejanskih potreb inženirskih aplikacij, s poudarkom na mehanskih lastnostih (kot so trdnost, trdota, trajna deformacija pri stiskanju, sprostitev napetosti, stopnja elastične obnovitve itd.), glede mehanizma staranja gume pod različnimi pogoji . Raziskave so redko vključene, kar pomeni, da napovedovanje življenja še vedno uporablja metodo pospešenega termičnega staranja s kisikom. Obstaja veliko raziskovalnih vrzeli glede vpliva kompleksnih pogojev temperature in vlažnosti, stresnih učinkov, srednjih učinkov itd. v gumijastem okolju.
Med procesom toplotne oksidacije bo guma ustvarila različne oksidacijske produkte, ki so očitno razporejeni v smeri debeline izdelka, spremenila pa se bo tudi njena gostota zamreženja. Po opravljenih poglobljenih raziskavah o termičnem staranju s kisikom in mehanizmu NBR v zraku in mazalnem olju je avtor ugotovil, da lahko proces staranja NBR v zraku razdelimo na tri stopnje. Prva faza je predvsem migracija aditivov (mehčala, antioksidanti itd.). V drugi fazi prevladujeta oksidacijska reakcija in reakcija zamreženja, kar se kaže v povečanju stopnje zamreževanja in trdote, medtem ko se stopnja elastične obnovitve zmanjša. V tretji fazi poznega termično oksidacijskega staranja lahko močna oksidacija povzroči celo zlom molekularnih verig. Vendar pa je v tem času elastičnost NBR skoraj popolnoma izgubljena in ga ni mogoče uporabiti kot tesnilni material. Pri tem procesu je sprememba vsebnosti antioksidantov zelo pomemben pokazatelj. Ko njegova vsebnost pade na kritično vrednost, bo stopnja elastične obnovitve močno padla, trdota pa se bo močno povečala, kar bo povzročilo izgubo zmogljivosti. Ko se NBR termično stara v mazalnem olju, najprej zaradi difuzije mazalnega olja v gumo, lahko guma dolgo časa ohrani dobre lastnosti prožnosti. Drugič, čeprav mazalno olje do določene mere ovira difuzijo kisika, je stopnja oksidacije v olju višja zaradi povečane mobilnosti molekularnih verig gume. Če ima ista vrsta olja različne viskoznosti, bo stopnja oksidacije v olju z nizko viskoznostjo višja kot v olju z visoko viskoznostjo. Tretjič, ekstrakcijski učinek mazalnega olja na aditive povzroči, da je hitrost migracije aditivov v gumi hitrejša.
Pri uporabi kot tesnilni material je guma izpostavljena obremenitvam in se sčasoma sprosti. Gillen et al. iz Sandia National Laboratory je proučeval obnašanje pri sprostitvi napetosti butilne gume z določeno deformacijo pri različnih temperaturah in ugotovil, da je bila stopnja sprostitve napetosti znatno pospešena v napetih pogojih.
Pri uporabi gumijastih tesnilnih materialov v situacijah dinamičnega tesnjenja in mazanja je treba upoštevati trenje in obrabne lastnosti gume. Koeficient trenja gume je skupni prispevek tekočine, adhezije in deformacije. Adhezija je povezava in uničenje na molekularni ravni in se zmanjšuje z modulom elastičnosti, kar je funkcija viskoelastičnosti. Histerezno trenje gume je energijsko potraten proces, ki ga spremlja notranje dušenje, vendar se povečuje, ko se elastični modul zmanjšuje. Obraba je lokalizirana poškodba, ki je posledica razgradnje zamrežene mreže na manjše molekule. Če gre za ostro površino, bo obraba povzročila natezno okvaro; če gre za topo površino, bo to povzročilo odpoved zaradi utrujenosti. Različni oljni mediji imajo različne učinke na trenje in obrabne lastnosti gume. Na primer, estrsko bazno olje resneje poslabša mehanske lastnosti NBR kot mineralno olje in poliolefinsko sintetično olje (PAO).