Отказ от старения и прогноз срока службы полимерных материалов

Отказ от старения и прогноз срока службы полимерных материалов
Во время хранения и использования полимерные материалы будут подвергаться воздействию различных факторов окружающей среды (таких как ультрафиолет, тепло, влажность, озон, микроорганизмы и т. д.) и условий труда (таких как стресс, электрическое поле, магнитное поле, среда и т. д.). Фотокислородная деградация, термическая деградация, химическая деградация, биологическая деградация и т. д. приводят к постепенному ухудшению различных свойств вплоть до разрушения. Поэтому очень важно изучить механизм старения и прогнозирование срока службы полимерных материалов. Если взять в качестве примера резиновые уплотнительные материалы, то изделия из них, такие как прокладки, уплотнительные кольца, манжеты, сальники, клапаны и т. д., часто занимают ключевые позиции в механическом оборудовании и в то же время часто являются слабыми. связи узлов или агрегатов. Если он утрачивает свою герметизирующую способность, его необходимо разобрать и заменить, в противном случае все изделие может быть утилизировано.
Сущность старения резины заключается в сшивании или разрыве молекулярных цепей резины, что в основном происходит по механизму автокаталитического окисления. Тип и состав резинового сырца во многом определяют устойчивость изделия к старению. Например, термостойкость силиконового каучука и фторкаучука лучше, чем у нитрилбутадиенового каучука (NBR); термостойкость гидрогенизированного бутадиен-нитрильного каучука (HNBR). Чем выше насыщенность, тем лучше термическая стабильность; по мере увеличения содержания акрилонитрила (AN) маслостойкость и устойчивость к старению NBR увеличиваются, но в то же время снижаются его герметизирующие свойства и устойчивость к низким температурам. Система вулканизации резины, стабилизирующая система, наполнители и пластификаторы - все это влияет на свойства матрицы при старении. Для силиконового каучука или полиуретанового каучука, который легко гидролизуется или обладает определенной гидрофильностью, влажность ускоряет его старение. В процессе эксплуатации резиновым уплотнительным материалам часто приходится выдерживать определенную деформацию и вступать в контакт с масляными средами. Это делает процесс старения материала не только процессом термоокислительной деструкции, но и влиянием масляных сред и стрессов.
Срок службы резины обычно оценивают посредством испытания на ускоренное термическое кислородное старение, то есть испытание на ускоренное старение проводят при более высокой температуре, а прогнозирование срока службы осуществляется путем экстраполяции результатов измерений на температуру использования (сервиса) по формуле Аррениуса. . Для этого необходимо, чтобы механизм, приводящий к деградации, не менялся в исследуемом диапазоне температур. В большинстве случаев была доказана применимость метода Аррениуса, но многие исследователи сообщают, что не-Аррениусовский метод старения резины не полностью применим. Например, когда Бернштейн и др. исследовав ускоренное старение фторсиликона, они обнаружили, что кривая Аррениуса его поведения релаксации сжимающих напряжений отклоняется на 80 градусов, в результате чего в высокотемпературном и низкотемпературном сегментах появляются две энергии активации (73 кДж·моль-1 и 29 кДж ·моль-1). Срок службы, соответствующий потере производительности на 50%, рассчитанный на основе энергии активации низкотемпературной секции, составляет 17 лет, а срок службы, экстраполированный непосредственно из энергии активации высокотемпературной секции, составляет целых 900 лет. При редактировании, редактировании и перепечатке Jiayu Testing Network необходимо указывать источник. Такая огромная разница указывает на то, что фактические условия старения отличаются от ускоренного старения, что приводит к изменениям в механизме старения или изменениям в механизме старения в разных температурных диапазонах, что сделает результаты простой экстраполяции ненадежными. Однако текущие исследовательские работы в основном начинаются с реальных потребностей инженерных приложений с упором на механические свойства (такие как прочность, твердость, остаточная деформация сжатия, релаксация напряжений, скорость упругого восстановления и т. д.), а также механизм старения резины в различных условиях. . Исследования проводятся редко, а это означает, что для прогнозирования жизни по-прежнему используется метод ускоренного термического кислородного старения. Существуют значительные пробелы в исследованиях влияния сложных температурных и влажностных условий, стрессовых воздействий, воздействия среды и т. д. на резиновую среду.
В процессе термического окисления в каучуке образуются различные продукты окисления, которые, очевидно, распределяются в направлении толщины продукта, а также изменяется плотность его сшивки. Проведя углубленное исследование поведения и механизма термического кислородного старения NBR в воздухе и смазочном масле, автор обнаружил, что процесс старения NBR на воздухе можно разделить на три стадии. Первый этап – это преимущественно миграция добавок (пластификаторов, антиоксидантов и т.п.). На второй стадии доминируют реакции окисления и реакции сшивки, что проявляется увеличением степени сшивки и твердости, при этом скорость упругого восстановления снижается. На третьей стадии позднего термического окислительного старения сильное окисление может даже привести к разрыву молекулярных цепей. Однако в это время эластичность NBR практически полностью утрачена и его нельзя использовать в качестве уплотнительного материала. В этом процессе изменение содержания антиоксидантов является очень важным показателем. Когда его содержание упадет до критического значения, скорость упругого восстановления резко упадет, а твердость резко повысится, в результате чего он потеряет свои характеристики. Когда NBR подвергается термическому старению в смазочном масле, прежде всего, за счет диффузии смазочного масла в резину, резина может сохранять хорошие свойства упругости в течение длительного времени. Во-вторых, хотя смазочное масло в определенной степени препятствует диффузии кислорода, степень окисления в масле выше из-за повышенной подвижности молекулярных цепей каучука. Если одно и то же масло имеет разную вязкость, то степень окисления в маловязком масле будет выше, чем в высоковязком. В-третьих, эффект экстракции смазочного масла на присадки приводит к увеличению скорости миграции присадок в резине.
При использовании в качестве уплотнительного материала резина подвергается нагрузкам и со временем расслабляется. Гиллен и др. из Национальной лаборатории Сандия изучили поведение релаксации напряжений бутилкаучука с определенной деформацией при различных температурах и обнаружили, что скорость релаксации напряжений значительно ускоряется в напряженных условиях.
Когда резиновые уплотнительные материалы используются в ситуациях динамического уплотнения и смазки, необходимо учитывать свойства трения и износа резины. Коэффициент трения резины представляет собой совместный вклад жидкости, адгезии и деформации. Адгезия представляет собой соединение и разрушение на молекулярном уровне и уменьшается с увеличением модуля упругости, что является функцией вязкоупругости. Гистерезисное трение резины — энергозатратный процесс, сопровождающийся внутренним демпфированием, но возрастающий по мере уменьшения модуля упругости. Износ — это локальное повреждение, возникающее в результате распада сшитой сети на более мелкие молекулы. Если это острая поверхность, износ приведет к разрушению при растяжении; если это тупая поверхность, это приведет к усталостному разрушению. Различные масляные среды по-разному влияют на фрикционные и износостойкие свойства резины. Например, эфирное базовое масло ухудшает механические свойства NBR более серьезно, чем минеральное масло и полиолефиновое синтетическое масло (ПАО).