Polimer Malzemelerin Yaşlanma Hasarı ve Ömür Tahmini

Polimer malzemelerin yaşlanma hatası ve ömür tahmini
Depolama ve kullanım sırasında polimer malzemeler çeşitli çevresel faktörlerden (ultraviyole ışık, ısı, nem, ozon, mikroorganizmalar vb.) ve çalışma koşullarından (stres, elektrik alanı, manyetik alan, ortam vb.) etkilenecektir. Fotooksijen bozunması, termal bozunma, kimyasal bozunma, biyolojik bozunma vb. çeşitli özelliklerin yok olana kadar kademeli olarak azalmasına yol açar. Bu nedenle, polimer malzemelerin yaşlanma arıza mekanizmasını ve ömür öngörüsünü incelemek büyük önem taşımaktadır. Örnek olarak kauçuk sızdırmazlık malzemelerini ele alırsak, contalar, O-ringler, kaplar, yağ keçeleri, valfler vb. gibi kauçuktan yapılan ürünler genellikle mekanik ekipmanlarda anahtar konumlardadır ve aynı zamanda genellikle zayıf olanlardır. bileşenlerin veya montajların bağlantıları. Sızdırmazlık özelliğini kaybetmesi durumunda sökülüp değiştirilmesi gerekir, aksi halde ürünün tamamı hurdaya çıkabilir.
Kauçuğun yaşlanmasının özü, çoğunlukla otokatalitik bir oksidasyon mekanizması olan kauçuk moleküler zincirlerinin çapraz bağlanması veya kırılmasıdır. Kauçuğun türü ve bileşimi, ham kauçuğun ürünün yaşlanma stabilitesini büyük ölçüde belirler. Örneğin silikon kauçuğun ve flor kauçuğun ısı direnci nitril bütadien kauçuğun (NBR)kinden daha iyidir; hidrojenlenmiş nitril bütadien kauçuğun (HNBR) ısı direnci Doygunluk ne kadar yüksek olursa, termal kararlılık da o kadar iyi olur; Akrilonitril (AN) içeriği arttıkça NBR'nin yağ direnci ve yaşlanma direnci artar ancak aynı zamanda sızdırmazlık performansı ve düşük sıcaklık dayanımı azalır. Kauçuğun vulkanizasyon sistemi, stabilizasyon sistemi, dolgu maddeleri ve plastikleştiricilerin tümü matrisin yaşlanma özelliklerini etkileyecektir. Kolayca hidrolize olan veya belirli bir hidrofiliteye sahip olan silikon kauçuk veya poliüretan kauçuğun nem, yaşlanmasını hızlandıracaktır. Kullanım sırasında kauçuk sızdırmazlık malzemelerinin çoğu zaman belirli bir miktarda deformasyona dayanması ve yağlı ortamlarla temas etmesi gerekir. Bu, malzemenin yaşlanma sürecini yalnızca termo-oksidatif bir bozunma süreci değil, aynı zamanda yağ ortamının ve stresin etkisine de dönüştürür.
Kauçuğun ömrü genellikle hızlandırılmış termal oksijen yaşlanma testiyle değerlendirilir, yani hızlandırılmış yaşlanma testi daha yüksek bir sıcaklıkta gerçekleştirilir ve ömür, Arrhenius formülü kullanılarak ölçüm sonuçlarının kullanım (servis) sıcaklığına ekstrapolasyonuyla tahmin edilir. . Bu, bozunmaya yol açan mekanizmanın araştırılan sıcaklık aralığı içinde değişmemesini gerektirir. Çoğu durumda, Arrhenius yönteminin uygulanabilir olduğu kanıtlanmıştır, ancak birçok araştırmacı kauçuğun yaşlanmasının Arrhenius dışı davranışının tamamen uygulanabilir olmadığını bildirmiştir. Örneğin Bernstein ve ark. Florosilikon'un hızlandırılmış yaşlanmasını incelediler ve basınç gerilimi gevşeme davranışının Arrhenius eğrisinin 80 derecede saptığını, yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık bölümlerinin iki aktivasyon enerjisi (73kJ·mol-1 ve 29kJ) göstermesine neden olduğunu buldular. ·mol-1). Düşük sıcaklık bölümü aktivasyon enerjisinden hesaplandığında %50 performans kaybına karşılık gelen ömür 17 yıl iken, yüksek sıcaklık bölümü aktivasyon enerjisinden doğrudan hesaplanan ömür 900 yıl kadar uzundur. Jiayu Testing Network tarafından yapılan düzenleme, düzenleme ve yeniden basımlarda kaynak belirtilmelidir. Bu kadar büyük bir fark, gerçek yaşlanma koşullarının hızlandırılmış yaşlanmadan farklı olduğunu, bunun sonucunda yaşlanma mekanizmasında değişikliklere veya farklı sıcaklık aralıklarında yaşlanma mekanizmasında değişikliklere neden olacağını ve bunun da basit ekstrapolasyon sonuçlarını güvenilmez hale getireceğini gösterir. Bununla birlikte, mevcut araştırma çalışmaları çoğunlukla mühendislik uygulamalarının gerçek ihtiyaçlarından başlamakta ve kauçuğun farklı koşullar altında yaşlanma mekanizması ile ilgili mekanik özelliklere (mukavemet, sertlik, basınçta kalıcı deformasyon, gerilme gevşemesi, elastik iyileşme oranı vb.) odaklanmaktadır. . Araştırma nadiren dahil oluyor, bu da yaşam tahmininin hala hızlandırılmış termal oksijen yaşlanma yöntemini kullandığı anlamına geliyor. Karmaşık sıcaklık ve nem koşullarının, stres etkilerinin, orta düzey etkilerin vb. kauçuk ortamındaki etkisi konusunda önemli araştırma boşlukları vardır.
Termal oksidasyon işlemi sırasında kauçuk, ürünün kalınlık yönünde açıkça dağılan çeşitli oksidasyon ürünleri üretecek ve çapraz bağlanma yoğunluğu da değişecektir. NBR'nin havadaki ve yağlama yağındaki termal oksijen yaşlanma davranışı ve mekanizması üzerine derinlemesine araştırma yaptıktan sonra yazar, NBR'nin havadaki yaşlanma sürecinin üç aşamaya ayrılabileceğini buldu. İlk aşama esas olarak katkı maddelerinin (plastikleştiriciler, antioksidanlar vb.) göçüdür. İkinci aşamada ise oksidasyon reaksiyonu ve çapraz bağlanma reaksiyonu hakim olup, çapraz bağlanma derecesi ve sertliğinin artmasıyla kendini gösterirken, elastikiyetin geri kazanım hızı azalır. Geç termal oksidasyon yaşlanmasının üçüncü aşamasında, şiddetli oksidasyon moleküler zincirlerin kırılmasına bile neden olabilir. Ancak şu anda NBR'nin esnekliği neredeyse tamamen kaybolmuştur ve sızdırmazlık malzemesi olarak kullanılamaz. Bu süreçte antioksidan içeriğindeki değişim çok önemli bir göstergedir. İçeriği kritik bir değere düştüğünde elastik toparlanma oranı keskin bir şekilde düşecek, sertlik ise keskin bir şekilde artarak performansını kaybetmesine neden olacaktır. NBR, yağlama yağı içinde termal olarak yaşlandırıldığında, her şeyden önce, yağlama yağının kauçuğa difüzyonu nedeniyle, kauçuk uzun süre iyi esneklik özelliklerini koruyabilir. İkincisi, yağlama yağı oksijenin difüzyonunu bir dereceye kadar engellese de, kauçuk moleküler zincirlerinin artan hareketliliği nedeniyle yağdaki oksidasyon derecesi daha yüksektir. Aynı tip yağın viskozitesi farklıysa, düşük viskoziteli yağın oksidasyon derecesi, yüksek viskoziteli yağa göre daha yüksek olacaktır. Üçüncüsü, yağlama yağının katkı maddeleri üzerindeki ekstraksiyon etkisi, katkı maddelerinin kauçuğa geçiş hızının daha hızlı olmasına neden olur.
Sızdırmazlık malzemesi olarak kullanıldığında kauçuk strese maruz kalır ve zamanla gevşer. Gillen ve diğerleri. Sandia Ulusal Laboratuvarı'ndan bir araştırmacı, bütil kauçuğun farklı sıcaklıklarda belirli bir gerilimle gerilim gevşeme davranışını inceledi ve gerilim gevşeme oranının gergin koşullar altında önemli ölçüde hızlandığını buldu.
Dinamik sızdırmazlık ve yağlama durumlarında kauçuk sızdırmazlık malzemeleri kullanıldığında kauçuğun sürtünme ve aşınma özellikleri dikkate alınmalıdır. Kauçuğun sürtünme katsayısı sıvının, yapışmanın ve deformasyonun ortak katkısıdır. Yapışma, moleküler düzeyde bağlantı ve yıkımdır ve viskoelastisitenin bir fonksiyonu olan elastik modül ile azalır. Kauçuğun histeretik sürtünmesi, iç sönümün de eşlik ettiği, enerji tüketen bir işlemdir, ancak elastik modül azaldıkça artar. Aşınma, çapraz bağlı ağın daha küçük moleküllere parçalanmasının sonucu olan lokal hasardır. Keskin bir yüzey ise aşınma, çekme başarısızlığına yol açacaktır; küt bir yüzey ise yorulma arızasına yol açacaktır. Farklı yağ ortamlarının kauçuğun sürtünme ve aşınma özellikleri üzerinde farklı etkileri vardır. Örneğin ester baz yağı, NBR'nin mekanik özelliklerini mineral yağ ve poliolefin sentetik yağa (PAO) göre daha ciddi şekilde bozar.