Polimerinių medžiagų senėjimo gedimas ir gyvenimo prognozė

Polimerinių medžiagų senėjimo gedimas ir gyvenimo prognozė
Sandėliavimo ir naudojimo metu polimerines medžiagas veiks įvairūs aplinkos veiksniai (pvz., ultravioletinė šviesa, šiluma, drėgmė, ozonas, mikroorganizmai ir kt.) ir darbo sąlygos (tokios kaip stresas, elektrinis laukas, magnetinis laukas, terpė ir kt.) Dėl fotodeguonies skilimo, terminio skilimo, cheminio skilimo, biologinio skilimo ir kt. įvairios savybės palaipsniui mažėja iki sunaikinimo. Todėl labai svarbu ištirti polimerinių medžiagų senėjimo gedimo mechanizmą ir prognozę. Pavyzdžiui, guminės sandarinimo medžiagos, iš jų pagaminti gaminiai, tokie kaip tarpinės, sandarinimo žiedai, kaušeliai, alyvos sandarikliai, vožtuvai ir kt., dažnai yra pagrindinėse mechaninės įrangos pozicijose ir tuo pačiu dažnai yra silpni. komponentų ar mazgų nuorodos. Jei jis praranda sandarumą, jį reikia išardyti ir pakeisti, kitaip visas gaminys gali būti išmestas į metalo laužą.
Gumos senėjimo esmė – gumos molekulinių grandinių kryžminis susiejimas arba nutrūkimas, kuris dažniausiai yra autokatalizinis oksidacijos mechanizmas. Gumos žaliavinės gumos rūšis ir sudėtis labai priklauso nuo gaminio senėjimo stabilumo. Pavyzdžiui, silikoninės gumos ir fluoro gumos atsparumas karščiui yra geresnis nei nitrilo butadieno kaučiuko (NBR); hidrinto nitrilo butadieno kaučiuko (HNBR) atsparumas karščiui Kuo didesnis prisotinimas, tuo geresnis terminis stabilumas; Didėjant akrilonitrilo (AN) kiekiui, didėja NBR atsparumas alyvai ir senėjimui, tačiau tuo pačiu sumažėja jo sandarinimo savybės ir atsparumas žemai temperatūrai. Gumos vulkanizavimo sistema, stabilizavimo sistema, užpildai ir plastifikatoriai turės įtakos matricos senėjimo savybėms. Silikoninės gumos arba poliuretano gumos, kuri yra lengvai hidrolizuojama arba turi tam tikrą hidrofiliškumą, drėgmė paspartins jos senėjimą. Naudojimo metu guminės sandarinimo medžiagos dažnai turi atlaikyti tam tikrą deformaciją ir liestis su alyvos terpėmis. Dėl to medžiagos senėjimo procesas tampa ne tik termooksidaciniu skilimo procesu, bet ir naftos terpės bei streso įtaka.
Gumos tarnavimo laikas paprastai vertinamas taikant pagreitinto terminio deguonies senėjimo bandymą, tai yra, pagreitinto senėjimo bandymas atliekamas aukštesnėje temperatūroje, o eksploatavimo trukmė prognozuojama ekstrapoliuojant matavimo rezultatus į naudojimo (eksploatavimo) temperatūrą, naudojant Arrhenius formulę. . Tam reikia, kad mechanizmas, sukeliantis degradaciją, nepasikeistų tiriamame temperatūros diapazone. Daugeliu atvejų buvo įrodyta, kad Arrhenius metodas yra tinkamas, tačiau daugelis tyrėjų pranešė, kad gumos senėjimo ne Arrhenius elgesys nėra visiškai taikomas. Pavyzdžiui, kai Bernstein ir kt. Ištyrę pagreitintą fluorosilikono senėjimą, jie nustatė, kad jo gniuždymo įtempių atsipalaidavimo elgsenos Arrhenius kreivė nukrypo 80 laipsnių kampu, todėl aukštos ir žemos temperatūros segmentai parodė dvi aktyvinimo energijas (73 kJ · mol-1 ir 29 kJ ·mol-1). Skaičiuojant pagal žemos temperatūros sekcijos aktyvavimo energiją, 50% našumo praradimą atitinkantis tarnavimo laikas yra 17 metų, o eksploatavimo trukmė, tiesiogiai ekstrapoliuota iš aukštos temperatūros sekcijos aktyvavimo energijos, yra net 900 metų. „Jiayu Testing Network“ redaguodamas, redaguodamas ir perspausdindamas turi nurodyti šaltinį. Toks didžiulis skirtumas rodo, kad tikrosios senėjimo sąlygos skiriasi nuo pagreitinto senėjimo, todėl keičiasi senėjimo mechanizmas arba keičiasi senėjimo mechanizmas skirtinguose temperatūrų intervaluose, todėl paprasti ekstrapoliacijos rezultatai taps nepatikimi. Tačiau dabartiniai moksliniai tyrimai dažniausiai pradedami nuo faktinių inžinerinių pritaikymų poreikių, daugiausia dėmesio skiriant mechaninėms savybėms (tokioms kaip stiprumas, kietumas, gniuždymo nuolatinė deformacija, įtempių atsipalaidavimas, elastingumo atsistatymo greitis ir kt.), susijusios su gumos senėjimo mechanizmu skirtingomis sąlygomis. . Tyrimai atliekami retai, o tai reiškia, kad prognozuojant gyvenimą vis dar naudojamas pagreitinto terminio deguonies senėjimo metodas. Yra didelių tyrimų spragų, susijusių su sudėtingų temperatūros ir drėgmės sąlygų poveikiu, įtempių poveikiu, vidutiniu poveikiu ir kt.
Terminės oksidacijos proceso metu guma gamins įvairius oksidacijos produktus, kurie akivaizdžiai pasiskirsto gaminio storio kryptimi, taip pat keisis ir jos skersinio susiejimo tankis. Atlikęs nuodugnius NBR terminio deguonies senėjimo elgsenos ir mechanizmo tyrimus ore ir tepalinėje alyvoje, autorius nustatė, kad NBR senėjimo procesą ore galima suskirstyti į tris etapus. Pirmasis etapas daugiausia yra priedų (plastifikatorių, antioksidantų ir kt.) migracija. Antrajame etape dominuoja oksidacijos reakcija ir kryžminimo reakcija, pasireiškianti kryžminio sujungimo laipsnio ir kietumo padidėjimu, o elastingumo atsistatymo greitis mažėja. Trečiajame vėlyvojo terminio oksidacijos senėjimo etape dėl stiprios oksidacijos gali net nutrūkti molekulinės grandinės. Tačiau šiuo metu NBR elastingumas beveik visiškai prarastas ir jis negali būti naudojamas kaip sandarinimo medžiaga. Šiame procese labai svarbus rodiklis yra antioksidantų kiekio pokytis. Kai jo kiekis nukrenta iki kritinės vertės, elastingumo atsistatymo greitis smarkiai sumažės, o kietumas smarkiai padidės, todėl jis praras savo veikimą. Kai NBR terminis sendinamas tepalinėje alyvoje, visų pirma dėl tepalinės alyvos difuzijos į gumą, guma ilgą laiką gali išlaikyti geras elastingumo savybes. Antra, nors tepalinė alyva tam tikru mastu trukdo deguonies difuzijai, alyvos oksidacijos laipsnis yra didesnis dėl padidėjusio guminių molekulinių grandinių mobilumo. Jei tos pačios rūšies alyva yra skirtingo klampumo, mažo klampumo alyvos oksidacijos laipsnis bus didesnis nei didelio klampumo alyvoje. Trečia, dėl tepalinės alyvos ekstrahavimo priedams priedų migracijos greitis gumoje yra greitesnis.
Kai naudojama kaip sandarinimo medžiaga, guma yra veikiama įtempių ir laikui bėgant atsipalaiduoja. Gillen ir kt. Sandia National Laboratory ištyrė butilo kaučiuko streso atsipalaidavimo elgesį su tam tikra deformacija esant skirtingoms temperatūroms ir nustatė, kad streso atsipalaidavimo greitis buvo žymiai pagreitintas esant įtemptoms sąlygoms.
Kai dinaminio sandarinimo ir tepimo atvejais naudojamos guminės sandarinimo medžiagos, reikia atsižvelgti į gumos trinties ir dilimo savybes. Gumos trinties koeficientas yra bendras skysčio, sukibimo ir deformacijos indėlis. Sukibimas yra susijungimas ir sunaikinimas molekuliniu lygmeniu ir mažėja esant tamprumo moduliui, kuris priklauso nuo klampos elastingumo. Isteretinė gumos trintis yra daug energijos reikalaujantis procesas, lydimas vidinio slopinimo, tačiau didėja mažėjant tamprumo moduliui. Susidėvėjimas yra vietinis pažeidimas, susieto tinklo suskaidymo į mažesnes molekules rezultatas. Jei tai aštrus paviršius, susidėvėjimas sukels tempimo gedimą; jei tai bukas paviršius, tai sukels nuovargio gedimą. Skirtingos alyvos terpės skirtingai veikia gumos trinties ir dilimo savybes. Pavyzdžiui, esterio bazinė alyva labiau pablogina NBR mechanines savybes nei mineralinė alyva ir poliolefino sintetinė alyva (PAO).