Verouderingsfalen en levensduurvoorspelling van polymeermaterialen

Verouderingsfalen en levensduurvoorspelling van polymeermaterialen
Tijdens opslag en gebruik worden polymere materialen beïnvloed door verschillende omgevingsfactoren (zoals ultraviolet licht, hitte, vochtigheid, ozon, micro-organismen, enz.) en werkomstandigheden (zoals stress, elektrisch veld, magnetisch veld, media, enz.) Afbraak van fotozuurstof, thermische afbraak, chemische afbraak, biologische afbraak, enz. leiden tot de geleidelijke achteruitgang van verschillende eigenschappen tot vernietiging. Daarom is het van groot belang om het verouderingsmechanisme en de levensduurvoorspelling van polymeermaterialen te bestuderen. Als we bijvoorbeeld rubberen afdichtingsmaterialen nemen, bevinden de producten die ervan worden gemaakt, zoals pakkingen, O-ringen, cups, oliekeerringen, kleppen, enz., zich vaak op sleutelposities in mechanische apparatuur, en zijn tegelijkertijd vaak de zwakke punten koppelingen van componenten of samenstellingen. Als het zijn afdichtingsvermogen verliest, moet het worden gedemonteerd en vervangen, anders kan het hele product worden gesloopt.
De essentie van rubberveroudering is het verknopen of breken van moleculaire ketens van rubber, wat meestal een autokatalytisch oxidatiemechanisme is. De soort en samenstelling van het ruwe rubber bepaalt in grote mate de verouderingsstabiliteit van het product. Zo is de hittebestendigheid van siliconenrubber en fluorrubber beter dan die van nitrilbutadieenrubber (NBR); de hittebestendigheid van gehydrogeneerd nitrilbutadieenrubber (HNBR). Hoe hoger de verzadiging, hoe beter de thermische stabiliteit; Naarmate het gehalte aan acrylonitril (AN) toeneemt, nemen de oliebestendigheid en verouderingsbestendigheid van NBR toe, maar tegelijkertijd nemen de afdichtingsprestaties en de weerstand tegen lage temperaturen af. Het rubbervulkanisatiesysteem, het stabilisatiesysteem, de vulstoffen en weekmakers zullen allemaal de verouderingseigenschappen van de matrix beïnvloeden. Voor siliconenrubber of polyurethaanrubber dat gemakkelijk hydrolyseert of een bepaalde hydrofiliciteit heeft, zal de vochtigheid de veroudering ervan versnellen. Rubberen afdichtingsmaterialen moeten tijdens gebruik vaak een bepaalde mate van vervorming weerstaan ​​en in contact komen met oliehoudende media. Hierdoor is het verouderingsproces van het materiaal niet alleen een thermo-oxidatief afbraakproces, maar ook de invloed van oliemedia en stress.
De levensduur van rubber wordt gewoonlijk geëvalueerd door middel van een versnelde thermische zuurstofverouderingstest, dat wil zeggen dat een versnelde verouderingstest wordt uitgevoerd bij een hogere temperatuur, en de levensduur wordt voorspeld door de meetresultaten te extrapoleren naar de gebruiks- (bedrijfs)temperatuur met behulp van de Arrhenius-formule. . Dit vereist dat het mechanisme dat tot degradatie leidt, niet verandert binnen het onderzochte temperatuurbereik. In de meeste gevallen is bewezen dat de Arrhenius-methode toepasbaar is, maar veel onderzoekers hebben gemeld dat het niet-Arrhenius-gedrag van rubberveroudering niet volledig toepasbaar is. Toen Bernstein et al. bestudeerden de versnelde veroudering van fluorsiliconen, ontdekten ze dat de Arrhenius-curve van het compressiespanningsrelaxatiegedrag afweek bij 80 graden, waardoor de hoge- en lage-temperatuursegmenten twee activeringsenergieën vertoonden (73kJ·mol-1 en 29kJ ·mol-1). Berekend op basis van de activeringsenergie van de sectie bij lage temperatuur, bedraagt ​​de levensduur die overeenkomt met 50% prestatieverlies 17 jaar, terwijl de levensduur, direct geëxtrapoleerd uit de activeringsenergie van de sectie bij hoge temperatuur, maar liefst 900 jaar bedraagt. Bij redactie, redactie en herdruk door Jiayu Testing Network moet de bron worden vermeld. Een dergelijk groot verschil geeft aan dat de werkelijke verouderingsomstandigheden verschillen van versnelde veroudering, resulterend in veranderingen in het verouderingsmechanisme, of veranderingen in het verouderingsmechanisme in verschillende temperatuurbereiken, waardoor eenvoudige extrapolatieresultaten onbetrouwbaar worden. Het huidige onderzoekswerk vertrekt echter grotendeels van de werkelijke behoeften van technische toepassingen, waarbij de nadruk ligt op mechanische eigenschappen (zoals sterkte, hardheid, permanente vervorming door compressie, spanningsrelaxatie, elastisch herstelpercentage, enz.), met betrekking tot het verouderingsmechanisme van rubber onder verschillende omstandigheden. . Er is zelden sprake van onderzoek, wat betekent dat levensvoorspelling nog steeds gebruik maakt van de versnelde thermische zuurstofverouderingsmethode. Er zijn aanzienlijke hiaten in het onderzoek naar de impact van complexe temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden, stresseffecten, mediumeffecten, enz. in de rubberomgeving.
Tijdens het thermische oxidatieproces zal rubber verschillende oxidatieproducten genereren, die duidelijk verdeeld zijn in de dikterichting van het product, en de verknopingsdichtheid zal ook veranderen. Na diepgaand onderzoek te hebben gedaan naar het thermische zuurstofverouderingsgedrag en het mechanisme van NBR in lucht en smeerolie, ontdekte de auteur dat het verouderingsproces van NBR in lucht in drie fasen kan worden verdeeld. De eerste fase is voornamelijk de migratie van additieven (weekmakers, antioxidanten, enz.). In de tweede fase domineren de oxidatiereactie en de verknopingsreactie, wat tot uiting komt in de toename van de mate van verknoping en de hardheid, terwijl de elastische herstelsnelheid afneemt. In de derde fase van late thermische oxidatieveroudering kan ernstige oxidatie er zelfs voor zorgen dat moleculaire ketens breken. Op dit moment is de elasticiteit van NBR echter vrijwel volledig verloren gegaan en kan het niet als afdichtingsmateriaal worden gebruikt. In dit proces is de verandering in het gehalte aan antioxidanten een zeer belangrijke indicator. Wanneer het gehalte ervan tot een kritische waarde daalt, zal het elastische herstelpercentage scherp dalen en zal de hardheid scherp stijgen, waardoor het zijn prestaties verliest. Wanneer NBR thermisch verouderd wordt in smeerolie, kan het rubber, als gevolg van de diffusie van smeerolie in het rubber, lange tijd goede veerkrachtige eigenschappen behouden. Ten tweede: hoewel smeerolie de diffusie van zuurstof tot op zekere hoogte belemmert, is de mate van oxidatie in de olie hoger vanwege de toegenomen mobiliteit van de moleculaire ketens van rubber. Als hetzelfde type olie een verschillende viscositeit heeft, zal de mate van oxidatie in de laagviskeuze olie hoger zijn dan in de hoogviskeuze olie. Ten derde zorgt het extractie-effect van smeerolie op additieven ervoor dat de migratiesnelheid van additieven in rubber hoger is.
Bij gebruik als afdichtingsmateriaal is rubber onderhevig aan spanning en ontspant het na verloop van tijd. Gillen et al. van Sandia National Laboratory bestudeerde het spanningsrelaxatiegedrag van butylrubber met een bepaalde rek bij verschillende temperaturen en ontdekte dat de spanningsrelaxatiesnelheid aanzienlijk werd versneld onder gespannen omstandigheden.
Wanneer rubberen afdichtingsmaterialen worden gebruikt in dynamische afdichtings- en smeersituaties, moet rekening worden gehouden met de wrijvings- en slijtage-eigenschappen van het rubber. De wrijvingscoëfficiënt van rubber is de gezamenlijke bijdrage van vloeistof, hechting en vervorming. Adhesie is verbinding en vernietiging op moleculair niveau en neemt af met de elastische modulus, een functie van visco-elasticiteit. De hysteretische wrijving van rubber is een energievretend proces, dat gepaard gaat met interne demping, maar neemt toe naarmate de elasticiteitsmodulus afneemt. Slijtage is plaatselijke schade, het resultaat van de afbraak van het verknoopte netwerk in kleinere moleculen. Als het een scherp oppervlak is, zal slijtage leiden tot trekbreuk; als het een stomp oppervlak is, zal dit leiden tot vermoeidheidsfalen. Verschillende oliemedia hebben verschillende effecten op de wrijvings- en slijtage-eigenschappen van rubber. Esterbasisolie tast bijvoorbeeld de mechanische eigenschappen van NBR ernstiger aan dan minerale olie en synthetische polyolefineolie (PAO).