Alterungsversagen und Lebensdauervorhersage von Polymermaterialien

Alterungsversagen und Lebensdauervorhersage von Polymermaterialien
Während der Lagerung und Verwendung werden Polymermaterialien durch verschiedene Umweltfaktoren (wie ultraviolettes Licht, Hitze, Feuchtigkeit, Ozon, Mikroorganismen usw.) und Arbeitsbedingungen (wie Stress, elektrisches Feld, magnetisches Feld, Medien usw.) beeinflusst. Photosauerstoffabbau, thermischer Abbau, chemischer Abbau, biologischer Abbau usw. führen zum allmählichen Verfall verschiedener Eigenschaften bis zur Zerstörung. Daher ist es von großer Bedeutung, den Mechanismus des Alterungsversagens und die Lebensdauervorhersage von Polymermaterialien zu untersuchen. Nehmen wir als Beispiel Gummidichtungsmaterialien: Die daraus hergestellten Produkte wie Dichtungen, O-Ringe, Becher, Öldichtungen, Ventile usw. befinden sich häufig an Schlüsselpositionen in mechanischen Geräten und sind gleichzeitig häufig die Schwachstellen Verknüpfungen von Komponenten oder Baugruppen. Wenn es seine Dichtfähigkeit verliert, muss es zerlegt und ersetzt werden, andernfalls kann das gesamte Produkt verschrottet werden.
Der Kern der Gummialterung besteht in der Vernetzung oder dem Aufbrechen der Molekülketten von Gummi, wobei es sich meist um einen autokatalytischen Oxidationsmechanismus handelt. Die Art und Zusammensetzung des Kautschuk-Rohkautschuks bestimmt maßgeblich die Alterungsstabilität des Produkts. Beispielsweise ist die Hitzebeständigkeit von Silikonkautschuk und Fluorkautschuk besser als die von Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR); die Hitzebeständigkeit von hydriertem Nitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) Je höher die Sättigung, desto besser die thermische Stabilität; Mit zunehmendem Acrylnitril (AN)-Anteil steigt die Ölbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit von NBR, gleichzeitig nehmen jedoch seine Dichtleistung und Kältebeständigkeit ab. Das Kautschukvulkanisationssystem, das Stabilisierungssystem, die Füllstoffe und Weichmacher beeinflussen alle die Alterungseigenschaften der Matrix. Bei Silikonkautschuk oder Polyurethankautschuk, der leicht hydrolysierbar ist oder eine gewisse Hydrophilie aufweist, beschleunigt Feuchtigkeit die Alterung. Im Einsatz müssen Gummidichtungsmaterialien häufig einer gewissen Verformung standhalten und kommen mit Ölmedien in Kontakt. Dadurch ist der Alterungsprozess des Materials nicht nur ein thermooxidativer Abbauprozess, sondern auch der Einfluss von Ölmedien und Stress.
Die Lebensdauer von Gummi wird normalerweise durch einen beschleunigten Alterungstest mit thermischem Sauerstoff bewertet, d. h. ein beschleunigter Alterungstest wird bei einer höheren Temperatur durchgeführt und die Lebensdauer wird vorhergesagt, indem die Messergebnisse mithilfe der Arrhenius-Formel auf die Einsatztemperatur (Betriebstemperatur) extrapoliert werden . Dies setzt voraus, dass sich der zum Abbau führende Mechanismus innerhalb des untersuchten Temperaturbereichs nicht ändert. In den meisten Fällen hat sich die Arrhenius-Methode als anwendbar erwiesen, viele Forscher haben jedoch berichtet, dass das Nicht-Arrhenius-Verhalten der Gummialterung nicht vollständig anwendbar ist. Wenn beispielsweise Bernstein et al. untersuchten die beschleunigte Alterung von Fluorsilikon und stellten fest, dass die Arrhenius-Kurve seines Druckspannungsrelaxationsverhaltens bei 80 Grad abweicht, was dazu führt, dass die Hochtemperatur- und Niedertemperatursegmente zwei Aktivierungsenergien aufweisen (73 kJ·mol-1 und 29 kJ). ·mol-1). Berechnet aus der Aktivierungsenergie des Niedertemperaturabschnitts beträgt die Lebensdauer, die einem Leistungsverlust von 50 % entspricht, 17 Jahre, während die direkt aus der Aktivierungsenergie des Hochtemperaturabschnitts extrapolierte Lebensdauer bis zu 900 Jahre beträgt. Bei Bearbeitung, Bearbeitung und Nachdruck durch Jiayu Testing Network muss die Quelle angegeben werden. Ein derart großer Unterschied weist darauf hin, dass sich die tatsächlichen Alterungsbedingungen von denen der beschleunigten Alterung unterscheiden, was zu Veränderungen im Alterungsmechanismus oder zu Veränderungen des Alterungsmechanismus in verschiedenen Temperaturbereichen führt, was einfache Extrapolationsergebnisse unzuverlässig macht. Aktuelle Forschungsarbeiten gehen jedoch meist von den tatsächlichen Anforderungen technischer Anwendungen aus und konzentrieren sich auf mechanische Eigenschaften (wie Festigkeit, Härte, permanente Kompressionsverformung, Spannungsrelaxation, elastische Erholungsrate usw.) im Hinblick auf den Alterungsmechanismus von Gummi unter verschiedenen Bedingungen . Forschung ist selten beteiligt, was bedeutet, dass die Lebensvorhersage immer noch die Methode der beschleunigten thermischen Sauerstoffalterung verwendet. Es bestehen erhebliche Forschungslücken hinsichtlich der Auswirkungen komplexer Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen, Stresseffekte, Medieneffekte usw. auf die Gummiumgebung.
Während des thermischen Oxidationsprozesses erzeugt Gummi verschiedene Oxidationsprodukte, die sich offensichtlich in Dickenrichtung des Produkts verteilen, und auch seine Vernetzungsdichte ändert sich. Nach eingehender Untersuchung des thermischen Sauerstoffalterungsverhaltens und -mechanismus von NBR in Luft und Schmieröl stellte der Autor fest, dass der Alterungsprozess von NBR in Luft in drei Phasen unterteilt werden kann. Die erste Stufe ist hauptsächlich die Migration von Zusatzstoffen (Weichmacher, Antioxidantien usw.). In der zweiten Stufe dominieren die Oxidationsreaktion und die Vernetzungsreaktion, was sich in einem Anstieg des Vernetzungsgrads und der Härte äußert, während die elastische Erholungsrate abnimmt. In der dritten Stufe der späten thermischen Oxidationsalterung kann es durch starke Oxidation sogar zum Bruch von Molekülketten kommen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Elastizität von NBR jedoch fast vollständig verloren gegangen und es kann nicht mehr als Dichtungsmaterial verwendet werden. Dabei ist die Veränderung des Antioxidantiengehalts ein sehr wichtiger Indikator. Wenn sein Gehalt auf einen kritischen Wert sinkt, sinkt die elastische Erholungsrate stark und die Härte steigt stark an, wodurch die Leistung verloren geht. Wenn NBR in Schmieröl thermisch gealtert wird, kann der Gummi zunächst aufgrund der Diffusion des Schmieröls in den Gummi über einen langen Zeitraum gute Elastizitätseigenschaften beibehalten. Zweitens behindert Schmieröl zwar die Sauerstoffdiffusion bis zu einem gewissen Grad, der Oxidationsgrad im Öl ist jedoch aufgrund der erhöhten Beweglichkeit der Molekülketten des Gummis höher. Wenn die gleiche Ölsorte unterschiedliche Viskositäten aufweist, ist der Oxidationsgrad im niedrigviskosen Öl höher als im hochviskosen Öl. Drittens führt die Extraktionswirkung von Schmieröl auf Additive dazu, dass die Migrationsgeschwindigkeit von Additiven im Gummi schneller ist.
Als Dichtungsmaterial wird Gummi beansprucht und entspannt sich mit der Zeit. Gillen et al. vom Sandia National Laboratory untersuchten das Spannungsrelaxationsverhalten von Butylkautschuk bei einer bestimmten Belastung bei verschiedenen Temperaturen und stellten fest, dass die Spannungsrelaxationsrate unter Belastungsbedingungen deutlich beschleunigt wurde.
Bei der Verwendung von Gummidichtungsmaterialien in dynamischen Dichtungs- und Schmiersituationen müssen die Reibungs- und Verschleißeigenschaften des Gummis berücksichtigt werden. Der Reibungskoeffizient von Gummi ist der gemeinsame Beitrag von Flüssigkeit, Adhäsion und Verformung. Adhäsion ist eine Verbindung und Zerstörung auf molekularer Ebene und nimmt mit dem Elastizitätsmodul ab, einer Funktion der Viskoelastizität. Die hysteretische Reibung von Gummi ist ein energieverbrauchender Prozess, der mit einer inneren Dämpfung einhergeht, aber mit abnehmendem Elastizitätsmodul zunimmt. Verschleiß ist eine lokale Schädigung, die durch den Zerfall des vernetzten Netzwerks in kleinere Moleküle entsteht. Handelt es sich um eine scharfe Oberfläche, führt der Verschleiß zu einem Zugversagen; Handelt es sich um eine stumpfe Oberfläche, führt dies zu einem Ermüdungsversagen. Unterschiedliche Ölmedien haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Gummi. Beispielsweise verschlechtert Ester-Grundöl die mechanischen Eigenschaften von NBR stärker als Mineralöl und Polyolefin-Syntheseöl (PAO).