Åldrande misslyckande och livsförutsägelse av polymermaterial

Åldringsfel och livslängd för polymermaterial
Under lagring och användning kommer polymermaterial att påverkas av olika miljöfaktorer (såsom ultraviolett ljus, värme, fuktighet, ozon, mikroorganismer, etc.) och arbetsförhållanden (såsom stress, elektriskt fält, magnetfält, media, etc.) Fotosyrenedbrytning, termisk nedbrytning, kemisk nedbrytning, biologisk nedbrytning etc. leder till en gradvis nedgång av olika egenskaper fram till förstörelse. Därför är det av stor betydelse att studera åldringsfelmekanismen och livslängdsförutsägelsen för polymermaterial. Om man tar gummitätningsmaterial som ett exempel, är produkterna som tillverkas av det, såsom packningar, O-ringar, koppar, oljetätningar, ventiler etc. ofta i nyckelpositioner i mekanisk utrustning, och är samtidigt ofta de svaga. länkar av komponenter eller sammansättningar. Om den tappar tätningsförmågan måste den tas isär och bytas ut, annars kan hela produkten skrotas.
Kärnan i gummiåldring är tvärbindning eller brott av gummimolekylkedjor, vilket mestadels är en autokatalytisk oxidationsmekanism. Typen och sammansättningen av gummirågummi bestämmer produktens åldringsstabilitet i stor utsträckning. Till exempel är värmebeständigheten hos silikongummi och fluorgummi bättre än för nitrilbutadiengummi (NBR); värmebeständigheten för hydrerat nitrilbutadiengummi (HNBR) Ju högre mättnad, desto bättre termisk stabilitet; när halten akrylnitril (AN) ökar ökar oljebeständigheten och åldringsbeständigheten hos NBR, men samtidigt minskar dess tätningsprestanda och lågtemperaturbeständighet. Gummivulkaniseringssystemet, stabiliseringssystemet, fyllmedel och mjukgörare kommer alla att påverka matrisens åldringsegenskaper. För silikongummi eller polyuretangummi som lätt hydrolyseras eller har viss hydrofilicitet, kommer fuktigheten att påskynda dess åldrande. Under användning måste gummitätningsmaterial ofta motstå en viss deformation och komma i kontakt med oljemedier. Detta gör materialets åldring inte bara till en termooxidativ nedbrytningsprocess, utan även påverkan av oljemedier och stress.
Livslängden för gummi utvärderas vanligtvis genom ett accelererat termiskt syreåldringstest, det vill säga ett accelererat åldringstest utförs vid en högre temperatur, och livslängden förutsägs genom att extrapolera mätresultaten till användningstemperaturen (service) med hjälp av Arrhenius formel. . Detta kräver att mekanismen som leder till nedbrytning inte ändras inom det temperaturområde som undersöks. I de flesta fall har Arrhenius-metoden visat sig vara tillämpbar, men många forskare har rapporterat att icke-Arrhenius-beteendet för gummiåldring inte är helt tillämpligt. Till exempel när Bernstein et al. studerade det accelererade åldrandet av fluorsilikon, fann de att Arrhenius-kurvan för dess avslappningsbeteende vid tryckspänning avvek vid 80 grader, vilket gjorde att högtemperatur- och lågtemperatursegmenten visade två aktiveringsenergier (73kJ·mol-1 och 29kJ ·mol-1). Räknat från lågtemperatursektionens aktiveringsenergi är livslängden motsvarande 50 % prestandaförlust 17 år, medan livslängden direkt extrapolerad från högtemperatursektionens aktiveringsenergi är så lång som 900 år. Redigering, redigering och omtryck av Jiayu Testing Network måste ange källan. En sådan enorm skillnad indikerar att de faktiska åldringsförhållandena skiljer sig från accelererat åldrande, vilket resulterar i förändringar i åldringsmekanismen, eller förändringar i åldringsmekanismen i olika temperaturintervall, vilket kommer att göra enkla extrapoleringsresultat opålitliga. Nuvarande forskningsarbete utgår dock mestadels från de faktiska behoven av ingenjörsapplikationer, med fokus på mekaniska egenskaper (såsom hållfasthet, hårdhet, kompression permanent deformation, spänningsavslappning, elastisk återhämtning, etc.), angående åldringsmekanismen hos gummi under olika förhållanden . Forskning är sällan involverad, vilket innebär att livsförutsägelse fortfarande använder den accelererade termiska syreåldringsmetoden. Det finns betydande forskningsluckor i påverkan av komplexa temperatur- och fuktförhållanden, stresseffekter, medeleffekter etc. i gummimiljön.
Under den termiska oxidationsprocessen kommer gummi att generera olika oxidationsprodukter, som uppenbarligen fördelas i produktens tjockleksriktning, och dess tvärbindningsdensitet kommer också att förändras. Efter att ha utfört djupgående forskning om det termiska syreåldringsbeteendet och mekanismen för NBR i luft och smörjolja, fann författaren att åldringsprocessen för NBR i luft kan delas in i tre steg. Det första steget är främst migreringen av tillsatser (mjukgörare, antioxidanter, etc.). I det andra steget dominerar oxidationsreaktion och tvärbindningsreaktion, vilket manifesteras av ökningen i tvärbindningsgrad och hårdhet, medan den elastiska återvinningshastigheten minskar. I det tredje stadiet av sen termisk oxidationsåldring kan allvarlig oxidation till och med orsaka att molekylkedjorna går sönder. Men vid denna tidpunkt har elasticiteten hos NBR nästan helt förlorats och det kan inte användas som tätningsmaterial. I denna process är förändringen i antioxidantinnehåll en mycket viktig indikator. När dess innehåll sjunker till ett kritiskt värde, kommer den elastiska återhämtningshastigheten att sjunka kraftigt, och hårdheten kommer att öka kraftigt, vilket gör att den förlorar sin prestanda. När NBR termiskt åldras i smörjolja, först och främst, på grund av diffusionen av smörjolja in i gummit, kan gummit bibehålla goda fjädringsegenskaper under lång tid. För det andra, även om smörjolja hindrar diffusionen av syre i viss utsträckning, är graden av oxidation i oljan högre på grund av den ökade rörligheten hos gummimolekylkedjorna. Om samma typ av olja har olika viskositet blir oxidationsgraden i den lågviskösa oljan högre än i den högviskösa oljan. För det tredje gör extraktionseffekten av smörjolja på tillsatser att migrationshastigheten för tillsatser i gummi blir snabbare.
När det används som tätningsmaterial utsätts gummi för stress och slappnar av med tiden. Gillen et al. från Sandia National Laboratory studerade spänningsavslappningsbeteendet hos butylgummi med en viss töjning vid olika temperaturer och fann att spänningsavslappningshastigheten accelererades avsevärt under ansträngda förhållanden.
När gummitätningsmaterial används i dynamiska tätnings- och smörjsituationer måste gummits friktions- och slitageegenskaper beaktas. Gummits friktionskoefficient är det gemensamma bidraget av vätska, vidhäftning och deformation. Adhesion är anslutning och förstörelse på molekylär nivå och minskar med elasticitetsmodulen, en funktion av viskoelasticiteten. Den hysteretiska friktionen hos gummi är en energikrävande process, åtföljd av inre dämpning, men ökar när elasticitetsmodulen minskar. Slitage är lokaliserad skada, resultatet av nedbrytningen av det tvärbundna nätverket till mindre molekyler. Om det är en vass yta kommer slitage att leda till dragbrott; om det är en trubbig yta kommer det att leda till utmattningsfel. Olika oljemedier har olika effekter på gummits friktions- och slitageegenskaper. Till exempel försämrar esterbasolja de mekaniska egenskaperna hos NBR mer allvarligt än mineralolja och syntetisk polyolefinolja (PAO).