Aldringssvigt og livsforudsigelse af polymermaterialer

Aldringssvigt og levetidsforudsigelse af polymermaterialer
Under opbevaring og brug vil polymermaterialer blive påvirket af forskellige miljøfaktorer (såsom ultraviolet lys, varme, fugtighed, ozon, mikroorganismer osv.) og arbejdsforhold (såsom stress, elektrisk felt, magnetfelt, medier osv.) Fotooxygennedbrydning, termisk nedbrydning, kemisk nedbrydning, biologisk nedbrydning osv. fører til gradvist fald i forskellige egenskaber indtil ødelæggelse. Derfor er det af stor betydning at studere ældningsfejlmekanismen og levetidsforudsigelse af polymermaterialer. Tager man gummitætningsmaterialer som et eksempel, er produkterne fremstillet af det, såsom pakninger, O-ringe, kopper, olietætninger, ventiler osv., ofte i nøglepositioner i mekanisk udstyr, og er samtidig ofte de svage forbindelser af komponenter eller samlinger. Hvis det mister sin tætningsevne, skal det skilles ad og udskiftes, ellers kan hele produktet blive skrottet.
Essensen af ​​gummiældning er tværbinding eller brud af gummimolekylære kæder, som for det meste er en autokatalytisk oxidationsmekanisme. Typen og sammensætningen af ​​gummirågummi bestemmer i høj grad produktets ældningsstabilitet. For eksempel er varmebestandigheden af ​​silikonegummi og fluorgummi bedre end for nitrilbutadiengummi (NBR); varmebestandigheden af ​​hydrogeneret nitrilbutadiengummi (HNBR) Jo højere mætning, jo bedre termisk stabilitet; efterhånden som indholdet af acrylonitril (AN) stiger, øges olieresistensen og ældningsmodstanden af ​​NBR, men samtidig falder dens tætningsevne og lavtemperaturbestandighed. Gummivulkaniseringssystemet, stabiliseringssystemet, fyldstoffer og blødgøringsmidler vil alle påvirke matrixens ældningsegenskaber. For silikonegummi eller polyurethangummi, der let hydrolyseres eller har en vis hydrofilicitet, vil fugt fremskynde dets ældning. Under brug skal gummitætningsmaterialer ofte modstå en vis deformation og komme i kontakt med oliemedier. Dette gør ældningsprocessen af ​​materialet ikke kun til en termooxidativ nedbrydningsproces, men også påvirkningen af ​​oliemedier og stress.
Levetiden for gummi evalueres normalt gennem en accelereret termisk iltældningstest, det vil sige, en accelereret ældningstest udføres ved en højere temperatur, og levetiden forudsiges ved at ekstrapolere måleresultaterne til brugstemperaturen (service) ved hjælp af Arrhenius-formlen . Dette kræver, at mekanismen, der fører til nedbrydning, ikke ændres inden for det temperaturområde, der undersøges. I de fleste tilfælde har Arrhenius-metoden vist sig at være anvendelig, men mange forskere har rapporteret, at ikke-Arrhenius-adfærden af ​​gummiældning ikke er fuldstændig anvendelig. For eksempel, når Bernstein et al. undersøgte den accelererede ældning af fluorsilicone, fandt de ud af, at Arrhenius-kurven for dens kompressionsspændingsrelaksationsadfærd afveg ved 80 grader, hvilket fik højtemperatur- og lavtemperatursegmenterne til at vise to aktiveringsenergier (73kJ·mol-1 og 29kJ ·mol-1). Beregnet ud fra lavtemperatursektionens aktiveringsenergi er levetiden svarende til 50 % ydeevnetab 17 år, mens levetiden direkte ekstrapoleret fra højtemperatursektionens aktiveringsenergi er helt op til 900 år. Redigering, redigering og genoptryk af Jiayu Testing Network skal angive kilden. En så stor forskel indikerer, at de faktiske ældningsbetingelser er forskellige fra accelereret ældning, hvilket resulterer i ændringer i ældningsmekanismen eller ændringer i ældningsmekanismen i forskellige temperaturområder, hvilket vil gøre simple ekstrapoleringsresultater upålidelige. Nuværende forskningsarbejde starter dog for det meste fra de faktiske behov for tekniske applikationer, med fokus på mekaniske egenskaber (såsom styrke, hårdhed, kompression permanent deformation, spændingsrelaksation, elastisk genvindingshastighed osv.), vedrørende ældningsmekanismen af ​​gummi under forskellige forhold . Forskning er sjældent involveret, hvilket betyder, at livsforudsigelse stadig bruger den accelererede termiske iltældningsmetode. Der er betydelige forskningshuller i påvirkningen af ​​komplekse temperatur- og luftfugtighedsforhold, stresseffekter, mediumeffekter osv. i gummimiljøet.
Under den termiske oxidationsproces vil gummi generere forskellige oxidationsprodukter, som tydeligvis fordeler sig i produktets tykkelsesretning, og dets tværbindingstæthed vil også ændre sig. Efter at have udført dybdegående forskning i den termiske iltældningsadfærd og mekanisme af NBR i luft og smøreolie, fandt forfatteren ud af, at ældningsprocessen for NBR i luft kan opdeles i tre faser. Det første trin er hovedsageligt migreringen af ​​tilsætningsstoffer (blødgøringsmidler, antioxidanter osv.). I det andet trin dominerer oxidationsreaktion og tværbindingsreaktion, manifesteret ved stigningen i tværbindingsgrad og hårdhed, mens den elastiske genvindingshastighed falder. I den tredje fase af sen termisk oxidationsældning kan alvorlig oxidation endda få molekylære kæder til at bryde. Men på nuværende tidspunkt er elasticiteten af ​​NBR næsten fuldstændigt gået tabt, og det kan ikke bruges som tætningsmateriale. I denne proces er ændringen i antioxidantindhold en meget vigtig indikator. Når indholdet falder til en kritisk værdi, vil den elastiske genvindingshastighed falde kraftigt, og hårdheden vil stige kraftigt, hvilket får den til at miste sin ydeevne. Når NBR er termisk ældet i smøreolie, kan gummiet først og fremmest på grund af diffusionen af ​​smøreolie ind i gummiet bevare gode elasticitetsegenskaber i lang tid. For det andet, selvom smøreolie hindrer diffusionen af ​​oxygen til en vis grad, er graden af ​​oxidation i olien højere på grund af gummimolekylernes øgede mobilitet. Hvis den samme type olie har forskellig viskositet, vil oxidationsgraden i den lavviskose olie være højere end i den højviskose olie. For det tredje bevirker udvindingseffekten af ​​smøreolie på additiver, at migrationshastigheden af ​​additiver i gummi bliver hurtigere.
Når det bruges som tætningsmateriale, er gummi udsat for stress og slapper af over tid. Gillen et al. fra Sandia National Laboratory undersøgte spændingsafslapningsadfærden af ​​butylgummi med en vis belastning ved forskellige temperaturer og fandt, at spændingsafslapningshastigheden blev signifikant accelereret under belastede forhold.
Når gummitætningsmaterialer anvendes i dynamiske tætnings- og smøresituationer, skal gummiets friktions- og slidegenskaber tages i betragtning. Gummiens friktionskoefficient er det fælles bidrag af væske, vedhæftning og deformation. Adhæsion er forbindelse og ødelæggelse på molekylært niveau og aftager med elasticitetsmodulet, en funktion af viskoelasticiteten. Den hysteretiske friktion af gummi er en energikrævende proces, ledsaget af indvendig dæmpning, men stiger i takt med at elasticitetsmodulet falder. Slid er lokaliseret skade, resultatet af nedbrydningen af ​​det tværbundne netværk til mindre molekyler. Hvis det er en skarp overflade, vil slid føre til træksvigt; hvis det er en stump overflade, vil det føre til træthedsfejl. Forskellige oliemedier har forskellige virkninger på gummiets friktions- og slidegenskaber. For eksempel nedbryder esterbasisolie de mekaniske egenskaber af NBR mere alvorligt end mineralolie og syntetisk polyolefinolie (PAO).