Порушення старіння та прогнозування терміну служби полімерних матеріалів

Порушення старіння та прогнозування терміну служби полімерних матеріалів
Під час зберігання та використання на полімерні матеріали впливають різноманітні фактори навколишнього середовища (наприклад, ультрафіолетове світло, тепло, вологість, озон, мікроорганізми тощо) та робочі умови (наприклад, напруга, електричне поле, магнітне поле, середовище тощо). Фотокиснева деградація, термічна деградація, хімічна деградація, біологічна деградація тощо призводять до поступового зниження різних властивостей аж до руйнування. Тому дуже важливо вивчати механізм старіння та прогнозувати термін служби полімерних матеріалів. Взявши, наприклад, гумові ущільнювальні матеріали, вироби з них, такі як прокладки, ущільнювальні кільця, манжети, сальники, клапани тощо, часто займають ключові позиції в механічному обладнанні, і в той же час часто є слабкими. ланки вузлів або вузлів. Якщо він втрачає свою герметичну здатність, його необхідно розібрати та замінити, інакше весь виріб може бути списаний.
Суть старіння гуми полягає в перехресному зшиванні або розриві молекулярних ланцюгів гуми, що в основному є механізмом автокаталітичного окислення. Тип і склад сирої гуми значною мірою визначає стійкість виробу до старіння. Наприклад, термостійкість силіконового каучуку та фторкаучуку краща, ніж нітрилбутадієнового каучуку (NBR); термостійкість гідрогенізованого нітрил-бутадієн-каучуку (HNBR) Чим вище насичення, тим краща термічна стабільність; зі збільшенням вмісту акрилонітрилу (AN) стійкість до масла та стійкість до старіння NBR зростає, але в той же час його герметичні властивості та стійкість до низьких температур знижуються. Система вулканізації каучуку, стабілізуюча система, наповнювачі та пластифікатори впливатимуть на властивості матриці до старіння. Для силіконової гуми або поліуретанової гуми, яка легко гідролізується або має певну гідрофільність, вологість прискорить її старіння. Під час використання гумові ущільнювальні матеріали часто мають витримувати певну деформацію та контактувати з масляними середовищами. Це робить процес старіння матеріалу не тільки процесом термоокислювальної деградації, але й впливом масляного середовища та стресу.
Термін служби гуми зазвичай оцінюється за допомогою випробування на прискорене термічне кисневе старіння, тобто випробування на прискорене старіння проводиться при вищій температурі, а термін служби прогнозується шляхом екстраполяції результатів вимірювань на температуру використання (експлуатації) за формулою Арреніуса . Це вимагає, щоб механізм, що веде до деградації, не змінювався в досліджуваному діапазоні температур. У більшості випадків було доведено, що метод Арреніуса застосовний, але багато дослідників повідомили, що неарреніусівська поведінка старіння гуми не повністю застосовна. Наприклад, коли Bernstein et al. досліджуючи прискорене старіння фторсилікону, вони виявили, що крива Арреніуса його поведінки релаксації напруги стиснення відхиляється на 80 градусів, в результаті чого високотемпературний і низькотемпературний сегменти демонструють дві енергії активації (73 кДж·моль-1 і 29 кДж ·моль-1). Розрахований на основі енергії активації низькотемпературної секції, термін служби, що відповідає 50% втрати продуктивності, становить 17 років, тоді як тривалість життя, безпосередньо екстрапольована з енергії активації високотемпературної секції, становить 900 років. Редагування, редагування та передрук Jiayu Testing Network має вказувати джерело. Така величезна різниця вказує на те, що фактичні умови старіння відрізняються від прискореного старіння, що призводить до змін у механізмі старіння, або змін у механізмі старіння в різних діапазонах температур, що зробить результати простої екстраполяції ненадійними. Проте поточна дослідницька робота в основному починається з реальних потреб інженерних застосувань, зосереджуючись на механічних властивостях (таких як міцність, твердість, постійна деформація при стисненні, релаксація напруги, швидкість відновлення еластичності тощо), щодо механізму старіння гуми за різних умов . Дослідження проводяться рідко, а це означає, що для прогнозування життя все ще використовується метод прискореного термічного кисневого старіння. Існують значні прогалини в дослідженні впливу складних температурно-вологісних умов, ефектів напруги, середніх впливів тощо на гумове середовище.
Під час процесу термічного окислення каучук утворює різні продукти окислення, які, очевидно, розподіляються в напрямку товщини продукту, і його щільність зшивання також змінюється. Провівши поглиблені дослідження поведінки термічного кисневого старіння та механізму NBR у повітрі та мастилі, автор виявив, що процес старіння NBR у повітрі можна розділити на три етапи. Перший етап - це переважно міграція добавок (пластифікаторів, антиоксидантів тощо). На другій стадії домінують реакція окислення та реакція зшивання, що проявляється збільшенням ступеня зшивання та твердості, а швидкість пружного відновлення зменшується. На третій стадії пізнього термоокислювального старіння сильне окислення може навіть призвести до розриву молекулярних ланцюгів. Однак у цей час еластичність NBR майже повністю втрачена, і його не можна використовувати як герметизуючий матеріал. У цьому процесі зміна вмісту антиоксидантів є дуже важливим показником. Коли його вміст падає до критичного значення, швидкість пружного відновлення різко впаде, а твердість різко підвищиться, що призведе до втрати його продуктивності. Коли NBR термічно старіє в мастильній олії, перш за все, завдяки дифузії мастильної олії в гуму, гума може зберігати хороші властивості пружності протягом тривалого часу. По-друге, хоча мастило певною мірою перешкоджає дифузії кисню, ступінь окислення в маслі вищий через підвищену рухливість молекулярних ланцюгів гуми. Якщо один і той же тип масла має різну в'язкість, ступінь окислення в маслі з низькою в'язкістю буде вищим, ніж у маслі з високою в'язкістю. По-третє, ефект екстракції мастила на присадки призводить до того, що швидкість міграції присадок у гумі є швидшою.
При використанні в якості ущільнювального матеріалу гума піддається навантаженню і з часом розслаблюється. Гіллен та ін. з національної лабораторії Sandia досліджував поведінку релаксації напруг бутилкаучуку з певною деформацією при різних температурах і виявив, що швидкість релаксації напруг значно прискорюється в напружених умовах.
Коли гумові ущільнювальні матеріали використовуються в ситуаціях динамічного ущільнення та змащування, слід враховувати властивості гуми на тертя та зношування. Коефіцієнт тертя гуми - це спільний внесок рідини, адгезії та деформації. Адгезія – це з’єднання та руйнування на молекулярному рівні, яке зменшується разом із модулем пружності, що є функцією в’язкопружності. Гістерезисне тертя гуми є енерговитратним процесом, що супроводжується внутрішнім демпфуванням, але збільшується зі зменшенням модуля пружності. Знос – це локалізоване пошкодження, яке є результатом розпаду зшитої мережі на менші молекули. Якщо це гостра поверхня, знос призведе до руйнування при розтягуванні; якщо це тупа поверхня, це призведе до втомного руйнування. Різні масляні середовища по-різному впливають на фрикційні та зношувані властивості гуми. Наприклад, ефірне базове масло погіршує механічні властивості NBR більш серйозно, ніж мінеральне масло та поліолефінове синтетичне масло (PAO).