Повреда при стареене и прогнозиране на живота на полимерни материали

Отказ от стареене и прогнозиране на живота на полимерни материали
По време на съхранение и употреба полимерните материали ще бъдат повлияни от различни фактори на околната среда (като ултравиолетова светлина, топлина, влажност, озон, микроорганизми и др.) и работни условия (като стрес, електрическо поле, магнитно поле, среда и др.) Фотокислородното разграждане, термичното разграждане, химическото разграждане, биологичното разграждане и т.н. водят до постепенно намаляване на различни свойства до унищожаване. Поради това е от голямо значение да се проучи механизмът на повреда при стареене и прогнозирането на живота на полимерните материали. Вземайки гумените уплътнителни материали като пример, продуктите, направени от него, като уплътнения, О-пръстени, чаши, маслени уплътнения, клапани и т.н., често са на ключови позиции в механичното оборудване и в същото време често са слабите връзки на компоненти или възли. Ако загуби способността си за уплътняване, трябва да се разглоби и смени, в противен случай целият продукт може да бъде бракуван.
Същността на стареенето на каучука е омрежването или разрушаването на молекулярните вериги на каучука, което е най-вече механизъм на автокаталитично окисление. Видът и съставът на суровия каучук определя до голяма степен устойчивостта на стареене на продукта. Например устойчивостта на топлина на силиконовия каучук и флуорния каучук е по-добра от тази на нитрил-бутадиеновия каучук (NBR); топлоустойчивостта на хидрогенирания нитрил-бутадиен каучук (HNBR) Колкото по-високо е насищането, толкова по-добра е термичната стабилност; тъй като съдържанието на акрилонитрил (AN) се увеличава, маслоустойчивостта и устойчивостта на стареене на NBR се увеличават, но в същото време неговата ефективност на уплътняване и устойчивост на ниски температури намаляват. Системата за вулканизиране на каучук, стабилизиращата система, пълнителите и пластификаторите ще повлияят на свойствата на стареене на матрицата. За силиконов каучук или полиуретанов каучук, който лесно се хидролизира или има определена хидрофилност, влажността ще ускори стареенето му. По време на употреба гумените уплътнителни материали често трябва да издържат на известна деформация и да влизат в контакт с маслена среда. Това прави процеса на стареене на материала не само процес на термоокислително разграждане, но и влиянието на маслената среда и стреса.
Животът на каучука обикновено се оценява чрез тест за ускорено термично кислородно стареене, т.е. тестът за ускорено стареене се извършва при по-висока температура и животът се прогнозира чрез екстраполиране на резултатите от измерването към температурата на използване (експлоатация) с помощта на формулата на Арениус . Това изисква механизмът, водещ до разграждане, да не се променя в температурния диапазон, който се изследва. В повечето случаи методът на Арениус е доказано приложим, но много изследователи съобщават, че не-Арениус поведението на стареене на каучук не е напълно приложимо. Например, когато Bernstein et al. изследвали ускореното стареене на флуоросиликон, те открили, че кривата на Арениус на поведението му при релаксация на напрежението на натиск се отклонява на 80 градуса, което кара високотемпературните и нискотемпературните сегменти да показват две енергии на активиране (73kJ·mol-1 и 29kJ ·mol-1). Изчислено от енергията на активиране на нискотемпературната секция, животът, съответстващ на 50% загуба на производителност, е 17 години, докато продължителността на живота, директно екстраполирана от енергията на активиране на секция с висока температура, е 900 години. Редактирането, редактирането и препечатването от Jiayu Testing Network трябва да посочва източника. Такава огромна разлика показва, че действителните условия на стареене са различни от ускореното стареене, което води до промени в механизма на стареене или промени в механизма на стареене в различни температурни диапазони, което ще направи резултатите от простата екстраполация ненадеждни. Текущата изследователска работа обаче започва най-вече от действителните нужди на инженерните приложения, като се фокусира върху механичните свойства (като якост, твърдост, постоянна деформация при натиск, релаксация на напрежението, степен на еластично възстановяване и т.н.), по отношение на механизма на стареене на каучука при различни условия . Изследванията рядко се включват, което означава, че прогнозирането на живота все още използва метода на ускорено топлинно кислородно стареене. Съществуват значителни пропуски в изследванията относно въздействието на сложни условия на температура и влажност, ефекти на стрес, средни ефекти и т.н. в гумената среда.
По време на процеса на термично окисляване каучукът ще генерира различни продукти на окисление, които очевидно са разпределени в посоката на дебелината на продукта, и неговата плътност на омрежване също ще се промени. След провеждане на задълбочени изследвания върху поведението на термичното кислородно стареене и механизма на NBR във въздуха и смазочното масло, авторът установи, че процесът на стареене на NBR във въздуха може да бъде разделен на три етапа. Първият етап е основно миграцията на добавки (пластификатори, антиоксиданти и др.). Във втория етап доминират реакцията на окисляване и реакцията на омрежване, което се проявява чрез увеличаване на степента на омрежване и твърдостта, докато степента на еластично възстановяване намалява. В третия етап на късно стареене чрез термично окисление, силното окисление може дори да причини разкъсване на молекулни вериги. Въпреки това, по това време еластичността на NBR е почти напълно загубена и не може да се използва като уплътнителен материал. В този процес промяната в съдържанието на антиоксиданти е много важен показател. Когато съдържанието му спадне до критична стойност, скоростта на възстановяване на еластичността ще спадне рязко и твърдостта ще се повиши рязко, което ще доведе до загуба на ефективност. Когато NBR се старее термично в смазочно масло, на първо място, поради дифузията на смазочното масло в каучука, каучукът може да поддържа добри еластични свойства за дълго време. Второ, въпреки че смазочното масло пречи на дифузията на кислорода до известна степен, степента на окисление в маслото е по-висока поради повишената подвижност на каучуковите молекулни вериги. Ако един и същи вид масло е с различен вискозитет, степента на окисление в маслото с нисък вискозитет ще бъде по-висока, отколкото в маслото с висок вискозитет. Трето, ефектът на екстракцията на смазочното масло върху добавките кара скоростта на миграция на добавките в каучука да бъде по-бърза.
Когато се използва като уплътнителен материал, гумата е подложена на напрежение и се отпуска с времето. Gillen и др. от Sandia National Laboratory изследва поведението на релаксация на напрежението на бутилкаучук с определено напрежение при различни температури и установи, че скоростта на релаксация на напрежението е значително ускорена при напрегнати условия.
Когато се използват гумени уплътнителни материали в ситуации на динамично уплътняване и смазване, трябва да се имат предвид свойствата на триене и износване на гумата. Коефициентът на триене на каучука е съвместният принос на течността, адхезията и деформацията. Адхезията е свързване и разрушаване на молекулярно ниво и намалява с модула на еластичност, функция на вискоеластичността. Хистерезичното триене на каучука е енергоемък процес, придружен от вътрешно затихване, но нараства с намаляване на модула на еластичност. Износването е локализирано увреждане, резултат от разпадането на омрежената мрежа на по-малки молекули. Ако повърхността е остра, износването ще доведе до повреда при опън; ако е тъпа повърхност, това ще доведе до отказ от умора. Различните маслени среди имат различен ефект върху свойствата на триене и износване на каучука. Например естерното базово масло влошава механичните свойства на NBR по-сериозно от минералното масло и полиолефиновото синтетично масло (PAO).