Πρόβλεψη αποτυχίας γήρανσης και ζωής πολυμερών υλικών

Αστοχία γήρανσης και πρόβλεψη ζωής πολυμερών υλικών
Κατά την αποθήκευση και τη χρήση, τα πολυμερή υλικά θα επηρεαστούν από διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες (όπως υπεριώδες φως, θερμότητα, υγρασία, όζον, μικροοργανισμοί κ.λπ.) και συνθήκες εργασίας (όπως καταπόνηση, ηλεκτρικό πεδίο, μαγνητικό πεδίο, μέσα κ.λπ.) Η αποικοδόμηση του φωτοοξυγόνου, η θερμική αποδόμηση, η χημική αποικοδόμηση, η βιολογική αποικοδόμηση κ.λπ., οδηγούν στη σταδιακή μείωση των διαφόρων ιδιοτήτων μέχρι την καταστροφή. Ως εκ τούτου, είναι πολύ σημαντικό να μελετηθεί ο μηχανισμός αστοχίας γήρανσης και η πρόβλεψη ζωής των πολυμερών υλικών. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τα υλικά στεγανοποίησης από καουτσούκ, τα προϊόντα που κατασκευάζονται από αυτό, όπως παρεμβύσματα, δακτύλιοι Ο, κύπελλα, σφραγίδες λαδιού, βαλβίδες κ.λπ., βρίσκονται συχνά σε βασικές θέσεις στον μηχανολογικό εξοπλισμό και ταυτόχρονα είναι συχνά τα αδύναμα συνδέσμους εξαρτημάτων ή συγκροτημάτων. Εάν χάσει την ικανότητα σφράγισής του, πρέπει να αποσυναρμολογηθεί και να αντικατασταθεί, διαφορετικά μπορεί να απορριφθεί ολόκληρο το προϊόν.
Η ουσία της γήρανσης του καουτσούκ είναι η διασύνδεση ή η θραύση των μοριακών αλυσίδων από καουτσούκ, που είναι ως επί το πλείστον ένας μηχανισμός αυτοκαταλυτικής οξείδωσης. Ο τύπος και η σύνθεση του ακατέργαστου καουτσούκ καθορίζει τη σταθερότητα γήρανσης του προϊόντος σε μεγάλο βαθμό. Για παράδειγμα, η αντοχή στη θερμότητα του καουτσούκ σιλικόνης και του καουτσούκ φθορίου είναι καλύτερη από αυτή του καουτσούκ νιτριλίου βουταδιενίου (NBR). η θερμική αντίσταση του υδρογονωμένου καουτσούκ νιτριλίου βουταδιενίου (HNBR) Όσο υψηλότερος είναι ο κορεσμός, τόσο καλύτερη είναι η θερμική σταθερότητα. Καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε ακρυλονιτρίλιο (AN), η αντίσταση του λαδιού και η αντίσταση γήρανσης του NBR αυξάνονται, αλλά ταυτόχρονα μειώνονται η απόδοση σφράγισης και η αντίσταση σε χαμηλή θερμοκρασία. Το σύστημα βουλκανισμού από καουτσούκ, το σύστημα σταθεροποίησης, τα πληρωτικά και οι πλαστικοποιητές θα επηρεάσουν όλες τις ιδιότητες γήρανσης της μήτρας. Για το καουτσούκ σιλικόνης ή το καουτσούκ πολυουρεθάνης που υδρολύεται εύκολα ή έχει κάποια υδροφιλία, η υγρασία θα επιταχύνει τη γήρανση του. Κατά τη χρήση, τα υλικά στεγανοποίησης από καουτσούκ πρέπει συχνά να αντέχουν σε μια ορισμένη ποσότητα παραμόρφωσης και να έρχονται σε επαφή με μέσα λαδιού. Αυτό καθιστά τη διαδικασία γήρανσης του υλικού όχι μόνο μια διαδικασία θερμοοξειδωτικής αποδόμησης, αλλά και την επίδραση των μέσων λαδιού και του στρες.
Η διάρκεια ζωής του καουτσούκ συνήθως αξιολογείται μέσω μιας δοκιμής επιταχυνόμενης θερμικής γήρανσης οξυγόνου, δηλαδή, μια δοκιμή επιταχυνόμενης γήρανσης εκτελείται σε υψηλότερη θερμοκρασία και η διάρκεια ζωής προβλέπεται με παρέκταση των αποτελεσμάτων της μέτρησης στη θερμοκρασία χρήσης (εξυπηρέτησης) χρησιμοποιώντας τον τύπο Arrhenius . Αυτό απαιτεί ο μηχανισμός που οδηγεί στην υποβάθμιση να μην αλλάζει εντός του εύρους θερμοκρασίας που εξετάζεται. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η μέθοδος Arrhenius έχει αποδειχθεί ότι είναι εφαρμόσιμη, αλλά πολλοί ερευνητές έχουν αναφέρει ότι η συμπεριφορά Non-Arrhenius της γήρανσης του καουτσούκ δεν είναι πλήρως εφαρμόσιμη. Για παράδειγμα, όταν οι Bernstein et al. μελέτησαν την επιταχυνόμενη γήρανση της φθοριοσιλικόνης, βρήκαν ότι η καμπύλη Arrhenius της συμπεριφοράς χαλάρωσης της συμπίεσης της πίεσης αποκλίνει στις 80 μοίρες, προκαλώντας τα τμήματα υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας να εμφανίζουν δύο ενέργειες ενεργοποίησης (73kJ·mol-1 και 29kJ ·mol-1). Υπολογιζόμενη από την ενέργεια ενεργοποίησης του τμήματος σε χαμηλή θερμοκρασία, η διάρκεια ζωής που αντιστοιχεί σε απώλεια απόδοσης 50% είναι 17 χρόνια, ενώ η διάρκεια ζωής που προκύπτει απευθείας από την ενέργεια ενεργοποίησης του τμήματος σε υψηλή θερμοκρασία είναι έως και 900 χρόνια. Η επεξεργασία, η επεξεργασία και η επανεκτύπωση από το Jiayu Testing Network πρέπει να αναφέρει την πηγή. Μια τέτοια τεράστια διαφορά δείχνει ότι οι πραγματικές συνθήκες γήρανσης διαφέρουν από την επιταχυνόμενη γήρανση, με αποτέλεσμα αλλαγές στον μηχανισμό γήρανσης ή αλλαγές στον μηχανισμό γήρανσης σε διαφορετικά εύρη θερμοκρασίας, γεγονός που θα κάνει τα αποτελέσματα της απλής παρέκτασης αναξιόπιστα. Ωστόσο, η τρέχουσα ερευνητική εργασία ξεκινά κυρίως από τις πραγματικές ανάγκες των εφαρμογών μηχανικής, εστιάζοντας σε μηχανικές ιδιότητες (όπως αντοχή, σκληρότητα, μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης, χαλάρωση στρες, ελαστικός ρυθμός ανάκτησης κ.λπ.), σχετικά με τον μηχανισμό γήρανσης του καουτσούκ υπό διαφορετικές συνθήκες . Η έρευνα εμπλέκεται σπάνια, πράγμα που σημαίνει ότι η πρόβλεψη της ζωής εξακολουθεί να χρησιμοποιεί τη μέθοδο της επιταχυνόμενης θερμικής γήρανσης με οξυγόνο. Υπάρχουν σημαντικά ερευνητικά κενά ως προς την επίδραση σύνθετων συνθηκών θερμοκρασίας και υγρασίας, επιδράσεων στρες, μεσαίων επιδράσεων κ.λπ. στο περιβάλλον από καουτσούκ.
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θερμικής οξείδωσης, το καουτσούκ θα δημιουργήσει διάφορα προϊόντα οξείδωσης, τα οποία είναι προφανώς κατανεμημένα στην κατεύθυνση του πάχους του προϊόντος και η πυκνότητα διασταύρωσης του θα αλλάξει επίσης. Μετά τη διεξαγωγή εις βάθος έρευνας σχετικά με τη συμπεριφορά της θερμικής γήρανσης με οξυγόνο και τον μηχανισμό του NBR στον αέρα και το λιπαντικό λάδι, ο συγγραφέας διαπίστωσε ότι η διαδικασία γήρανσης του NBR στον αέρα μπορεί να χωριστεί σε τρία στάδια. Το πρώτο στάδιο είναι κυρίως η μετανάστευση προσθέτων (πλαστικοποιητές, αντιοξειδωτικά κ.λπ.). Στο δεύτερο στάδιο κυριαρχεί η αντίδραση οξείδωσης και η αντίδραση διασύνδεσης, που εκδηλώνεται με την αύξηση του βαθμού και της σκληρότητας της διασύνδεσης, ενώ ο ρυθμός ανάκτησης ελαστικής μειώνεται. Στο τρίτο στάδιο της όψιμης γήρανσης με θερμική οξείδωση, η σοβαρή οξείδωση μπορεί ακόμη και να προκαλέσει σπάσιμο των μοριακών αλυσίδων. Ωστόσο, αυτή τη στιγμή, η ελαστικότητα του NBR έχει σχεδόν χαθεί εντελώς και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως στεγανοποιητικό υλικό. Σε αυτή τη διαδικασία, η αλλαγή στην περιεκτικότητα σε αντιοξειδωτικά είναι ένας πολύ σημαντικός δείκτης. Όταν το περιεχόμενό του πέσει σε μια κρίσιμη τιμή, ο ρυθμός ανάκτησης ελαστικού θα μειωθεί απότομα και η σκληρότητα θα αυξηθεί απότομα, με αποτέλεσμα να χάσει την απόδοσή του. Όταν το NBR παλαιώνει θερμικά σε λιπαντικό λάδι, πρώτα απ 'όλα, λόγω της διάχυσης του λιπαντικού λαδιού στο καουτσούκ, το καουτσούκ μπορεί να διατηρήσει καλές ιδιότητες ελαστικότητας για μεγάλο χρονικό διάστημα. Δεύτερον, αν και το λιπαντικό λάδι εμποδίζει τη διάχυση του οξυγόνου σε κάποιο βαθμό, ο βαθμός οξείδωσης στο λάδι είναι υψηλότερος λόγω της αυξημένης κινητικότητας των μοριακών αλυσίδων από καουτσούκ. Εάν ο ίδιος τύπος λαδιού είναι διαφορετικού ιξώδους, ο βαθμός οξείδωσης στο λιπαντικό χαμηλού ιξώδους θα είναι υψηλότερος από το λάδι υψηλού ιξώδους. Τρίτον, η επίδραση εκχύλισης του λιπαντικού λαδιού στα πρόσθετα κάνει την ταχύτητα μετανάστευσης των προσθέτων στο καουτσούκ να είναι μεγαλύτερη.
Όταν χρησιμοποιείται ως υλικό στεγανοποίησης, το καουτσούκ υπόκειται σε πίεση και χαλαρώνει με την πάροδο του χρόνου. Gillen et al. από το Εθνικό Εργαστήριο Sandia μελέτησε τη συμπεριφορά χαλάρωσης του στρες του βουτυλικού καουτσούκ με μια συγκεκριμένη παραμόρφωση σε διαφορετικές θερμοκρασίες και διαπίστωσε ότι ο ρυθμός χαλάρωσης του στρες επιταχύνθηκε σημαντικά υπό συνθήκες καταπόνησης.
Όταν χρησιμοποιούνται στεγανοποιητικά υλικά από καουτσούκ σε καταστάσεις δυναμικής σφράγισης και λίπανσης, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι ιδιότητες τριβής και φθοράς του καουτσούκ. Ο συντελεστής τριβής του καουτσούκ είναι η κοινή συμβολή του υγρού, της πρόσφυσης και της παραμόρφωσης. Η πρόσφυση είναι σύνδεση και καταστροφή σε μοριακό επίπεδο και μειώνεται με το μέτρο ελαστικότητας, συνάρτηση της ιξωδοελαστικότητας. Η υστερητική τριβή του καουτσούκ είναι μια ενεργοβόρα διαδικασία, που συνοδεύεται από εσωτερική απόσβεση, αλλά αυξάνεται καθώς μειώνεται ο συντελεστής ελαστικότητας. Η φθορά είναι εντοπισμένη βλάβη, αποτέλεσμα της διάσπασης του διασυνδεδεμένου δικτύου σε μικρότερα μόρια. Εάν είναι μια αιχμηρή επιφάνεια, η φθορά θα οδηγήσει σε αστοχία εφελκυσμού. εάν είναι αμβλεία επιφάνεια, θα οδηγήσει σε αστοχία κόπωσης. Τα διαφορετικά μέσα λαδιού έχουν διαφορετικά αποτελέσματα στις ιδιότητες τριβής και φθοράς του καουτσούκ. Για παράδειγμα, το βασικό έλαιο εστέρα υποβαθμίζει τις μηχανικές ιδιότητες του NBR πιο σοβαρά από το ορυκτέλαιο και το συνθετικό έλαιο πολυολεφίνης (PAO).