Kegagalan Penuaan Dan Ramalan Hayat Bahan Polimer

Kegagalan penuaan dan ramalan hayat bahan polimer
Semasa penyimpanan dan penggunaan, bahan polimer akan dipengaruhi oleh pelbagai faktor persekitaran (seperti cahaya ultraungu, haba, kelembapan, ozon, mikroorganisma, dll.) dan keadaan kerja (seperti tekanan, medan elektrik, medan magnet, media, dll.) Degradasi fotooksigen, degradasi haba, degradasi kimia, degradasi biologi, dan lain-lain, membawa kepada penurunan beransur-ansur pelbagai sifat sehingga kemusnahan. Oleh itu, adalah sangat penting untuk mengkaji mekanisme kegagalan penuaan dan ramalan hayat bahan polimer. Mengambil bahan pengedap getah sebagai contoh, produk yang diperbuat daripadanya, seperti gasket, cincin-O, cawan, pengedap minyak, injap, dan lain-lain, selalunya berada di kedudukan utama dalam peralatan mekanikal, dan pada masa yang sama sering kali lemah. pautan komponen atau pemasangan. Jika ia kehilangan keupayaan pengedapnya, ia mesti dibongkar dan diganti, jika tidak, keseluruhan produk mungkin dibuang.
Intipati penuaan getah ialah pautan silang atau pemecahan rantai molekul getah, yang kebanyakannya merupakan mekanisme pengoksidaan autokatalitik. Jenis dan komposisi getah mentah getah menentukan kestabilan penuaan produk pada tahap yang besar. Sebagai contoh, rintangan haba getah silikon dan getah fluorin adalah lebih baik daripada getah nitril butadiena (NBR); rintangan haba getah nitril butadiena terhidrogenasi (HNBR) Lebih tinggi ketepuan, lebih baik kestabilan haba; apabila kandungan akrilonitril (AN) meningkat, rintangan minyak dan rintangan penuaan NBR meningkat, tetapi pada masa yang sama prestasi pengedapnya dan rintangan suhu rendah berkurangan. Sistem pemvulkanan getah, sistem penstabilan, pengisi dan pemplastik semuanya akan menjejaskan sifat penuaan matriks. Bagi getah silikon atau getah poliuretana yang mudah terhidrolisis atau mempunyai hidrofilik tertentu, kelembapan akan mempercepatkan penuaannya. Semasa penggunaan, bahan pengedap getah selalunya perlu menahan jumlah ubah bentuk tertentu dan bersentuhan dengan media minyak. Ini menjadikan proses penuaan bahan bukan sahaja proses degradasi termo-oksidatif, tetapi juga pengaruh media minyak dan tekanan.
Jangka hayat getah biasanya dinilai melalui ujian penuaan oksigen terma dipercepatkan, iaitu ujian penuaan dipercepatkan dilakukan pada suhu yang lebih tinggi, dan jangka hayatnya diramalkan dengan mengekstrapolasi hasil pengukuran kepada suhu penggunaan (perkhidmatan) menggunakan formula Arrhenius. . Ini memerlukan mekanisme yang membawa kepada degradasi tidak berubah dalam julat suhu yang sedang disiasat. Dalam kebanyakan kes, kaedah Arrhenius telah terbukti boleh digunakan, tetapi ramai penyelidik telah melaporkan bahawa tingkah laku Non-Arrhenius penuaan getah tidak terpakai sepenuhnya. Sebagai contoh, apabila Bernstein et al. mengkaji penuaan dipercepatkan fluorosilicone, mereka mendapati bahawa lengkung Arrhenius bagi tingkah laku kelonggaran tegasan mampatannya menyimpang pada 80 darjah , menyebabkan segmen suhu tinggi dan suhu rendah menunjukkan dua tenaga pengaktifan (73kJ·mol-1 dan 29kJ ·mol-1). Dikira daripada tenaga pengaktifan bahagian suhu rendah, hayat yang sepadan dengan kehilangan prestasi 50% ialah 17 tahun, manakala jangka hayat yang diekstrapolasi secara langsung daripada tenaga pengaktifan bahagian suhu tinggi adalah selama 900 tahun. Mengedit, menyunting dan mencetak semula oleh Jiayu Testing Network mesti menunjukkan sumbernya. Perbezaan yang begitu besar menunjukkan bahawa keadaan penuaan sebenar adalah berbeza daripada penuaan dipercepatkan, mengakibatkan perubahan dalam mekanisme penuaan, atau perubahan dalam mekanisme penuaan dalam julat suhu yang berbeza, yang akan menjadikan hasil ekstrapolasi mudah tidak boleh dipercayai. Walau bagaimanapun, kerja penyelidikan semasa kebanyakannya bermula daripada keperluan sebenar aplikasi kejuruteraan, memfokuskan pada sifat mekanikal (seperti kekuatan, kekerasan, ubah bentuk kekal mampatan, kelonggaran tekanan, kadar pemulihan elastik, dll.), mengenai mekanisme penuaan getah dalam keadaan berbeza. . Penyelidikan jarang terlibat, yang bermaksud ramalan kehidupan masih menggunakan kaedah penuaan oksigen terma dipercepatkan. Terdapat jurang penyelidikan yang besar dalam kesan keadaan suhu dan kelembapan yang kompleks, kesan tekanan, kesan sederhana, dan lain-lain dalam persekitaran getah.
Semasa proses pengoksidaan terma, getah akan menghasilkan pelbagai produk pengoksidaan, yang jelas diedarkan dalam arah ketebalan produk, dan ketumpatan pautan silangnya juga akan berubah. Selepas menjalankan penyelidikan mendalam tentang tingkah laku penuaan oksigen terma dan mekanisme NBR dalam udara dan minyak pelincir, penulis mendapati bahawa proses penuaan NBR di udara boleh dibahagikan kepada tiga peringkat. Peringkat pertama adalah terutamanya penghijrahan bahan tambahan (plasticizer, antioksidan, dll.). Pada peringkat kedua, tindak balas pengoksidaan dan tindak balas pautan silang mendominasi, ditunjukkan oleh peningkatan tahap dan kekerasan silang silang, manakala kadar pemulihan elastik berkurangan. Pada peringkat ketiga penuaan pengoksidaan terma lewat, pengoksidaan teruk malah boleh menyebabkan rantai molekul terputus. Walau bagaimanapun, pada masa ini, keanjalan NBR hampir hilang sepenuhnya dan ia tidak boleh digunakan sebagai bahan pengedap. Dalam proses ini, perubahan kandungan antioksidan adalah penunjuk yang sangat penting. Apabila kandungannya menurun kepada nilai kritikal, kadar pemulihan elastik akan menurun dengan mendadak, dan kekerasan akan meningkat dengan mendadak, menyebabkan ia kehilangan prestasinya. Apabila NBR berumur secara terma dalam minyak pelincir, pertama sekali, disebabkan oleh penyebaran minyak pelincir ke dalam getah, getah boleh mengekalkan sifat daya tahan yang baik untuk masa yang lama. Kedua, walaupun minyak pelincir menghalang resapan oksigen pada tahap tertentu, tahap pengoksidaan dalam minyak adalah lebih tinggi disebabkan oleh peningkatan mobiliti rantai molekul getah. Jika jenis minyak yang sama mempunyai kelikatan yang berbeza, tahap pengoksidaan dalam minyak kelikatan rendah akan lebih tinggi daripada minyak kelikatan tinggi. Ketiga, kesan perahan minyak pelincir ke atas bahan tambah menyebabkan kelajuan migrasi bahan tambah dalam getah menjadi lebih cepat.
Apabila digunakan sebagai bahan pengedap, getah tertakluk kepada tekanan dan mengendur dari semasa ke semasa. Gillen et al. dari Sandia National Laboratory mengkaji tingkah laku kelonggaran tegasan getah butil dengan terikan tertentu pada suhu yang berbeza dan mendapati bahawa kadar kelonggaran tegasan telah dipercepatkan dengan ketara dalam keadaan tegang.
Apabila bahan pengedap getah digunakan dalam situasi pengedap dan pelinciran dinamik, sifat geseran dan haus getah mesti dipertimbangkan. Pekali geseran getah ialah sumbangan bersama cecair, lekatan dan ubah bentuk. Lekatan ialah sambungan dan pemusnahan pada tahap molekul dan berkurangan dengan modulus keanjalan, fungsi kelikatan. Geseran histeritik getah adalah proses yang memakan tenaga, disertai dengan redaman dalaman, tetapi meningkat apabila modulus keanjalan berkurangan. Haus adalah kerosakan setempat, hasil daripada pecahan rangkaian bersilang kepada molekul yang lebih kecil. Jika ia adalah permukaan yang tajam, haus akan menyebabkan kegagalan tegangan; jika ia adalah permukaan yang tumpul, ia akan membawa kepada kegagalan keletihan. Media minyak yang berbeza mempunyai kesan yang berbeza terhadap sifat geseran dan haus getah. Sebagai contoh, minyak asas ester merendahkan sifat mekanikal NBR dengan lebih serius daripada minyak mineral dan minyak sintetik poliolefin (PAO).