Thất bại lão hóa và dự đoán tuổi thọ của vật liệu polymer

Thất bại lão hóa và dự đoán tuổi thọ của vật liệu polymer
Trong quá trình bảo quản và sử dụng, vật liệu polymer sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường khác nhau (như tia cực tím, nhiệt, độ ẩm, ozon, vi sinh vật, v.v.) và điều kiện làm việc (như ứng suất, điện trường, từ trường, môi trường, v.v.) Suy thoái quang oxy, suy thoái nhiệt, suy thoái hóa học, suy thoái sinh học, v.v., dẫn đến sự suy giảm dần dần các tính chất khác nhau cho đến khi bị phá hủy. Vì vậy, việc nghiên cứu cơ chế hư hỏng lão hóa và dự đoán tuổi thọ của vật liệu polymer có ý nghĩa rất lớn. Lấy vật liệu làm kín cao su làm ví dụ, các sản phẩm làm từ nó như gioăng, vòng chữ O, cốc, phớt dầu, van, v.v., thường nằm ở những vị trí quan trọng trong thiết bị cơ khí, đồng thời thường là những bộ phận yếu. liên kết của các thành phần hoặc lắp ráp. Nếu mất khả năng bịt kín thì phải tháo rời và thay thế, nếu không toàn bộ sản phẩm có thể bị hỏng.
Bản chất của quá trình lão hóa cao su là sự liên kết ngang hoặc đứt gãy của chuỗi phân tử cao su, chủ yếu là cơ chế oxy hóa tự xúc tác. Loại và thành phần của cao su thô quyết định độ ổn định lão hóa của sản phẩm ở mức độ lớn. Ví dụ, khả năng chịu nhiệt của cao su silicon và cao su flo tốt hơn cao su nitrile butadien (NBR); khả năng chịu nhiệt của cao su butadien nitrile hydro hóa (HNBR) Độ bão hòa càng cao thì độ ổn định nhiệt càng tốt; khi hàm lượng acrylonitrile (AN) tăng lên, khả năng chống dầu và chống lão hóa của NBR tăng lên, nhưng đồng thời hiệu suất bịt kín và khả năng chịu nhiệt độ thấp của nó giảm. Hệ thống lưu hóa cao su, hệ thống ổn định, chất độn và chất làm dẻo đều sẽ ảnh hưởng đến đặc tính lão hóa của nền. Đối với cao su silicon hoặc cao su polyurethane dễ bị thủy phân hoặc có tính ưa nước nhất định, độ ẩm sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa. Trong quá trình sử dụng, vật liệu làm kín bằng cao su thường phải chịu một mức độ biến dạng nhất định và tiếp xúc với môi trường dầu. Điều này làm cho quá trình lão hóa của vật liệu không chỉ là quá trình phân hủy oxy hóa nhiệt mà còn chịu ảnh hưởng của môi trường dầu và ứng suất.
Tuổi thọ của cao su thường được đánh giá thông qua thử nghiệm lão hóa oxy nhiệt tăng tốc, nghĩa là thử nghiệm lão hóa tăng tốc được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn và tuổi thọ được dự đoán bằng cách ngoại suy kết quả đo về nhiệt độ sử dụng (sử dụng) bằng công thức Arrhenius . Điều này đòi hỏi cơ chế dẫn đến sự xuống cấp không thay đổi trong phạm vi nhiệt độ đang được nghiên cứu. Trong hầu hết các trường hợp, phương pháp Arrhenius đã được chứng minh là có thể áp dụng được, nhưng nhiều nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng đặc tính Non-Arrhenius của quá trình lão hóa cao su không hoàn toàn có thể áp dụng được. Ví dụ, khi Bernstein et al. đã nghiên cứu quá trình lão hóa nhanh chóng của fluorosilicone, họ phát hiện ra rằng đường cong Arrhenius về đặc tính hồi phục ứng suất nén của nó bị lệch 80 độ, khiến cho các phân đoạn nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp biểu hiện hai năng lượng kích hoạt (73kJ·mol-1 và 29kJ ·mol-1). Tính từ năng lượng kích hoạt phần nhiệt độ thấp, tuổi thọ tương ứng với sự mất hiệu suất 50% là 17 năm, trong khi tuổi thọ được ngoại suy trực tiếp từ năng lượng kích hoạt phần nhiệt độ cao là 900 năm. Việc biên tập, biên tập và in lại của Jiayu testing Network phải ghi rõ nguồn. Sự khác biệt lớn như vậy cho thấy các điều kiện lão hóa thực tế khác với lão hóa nhanh, dẫn đến thay đổi cơ chế lão hóa hoặc thay đổi cơ chế lão hóa ở các khoảng nhiệt độ khác nhau, điều này sẽ khiến kết quả ngoại suy đơn giản không đáng tin cậy. Tuy nhiên, công việc nghiên cứu hiện nay chủ yếu bắt đầu từ nhu cầu thực tế của các ứng dụng kỹ thuật, tập trung vào các tính chất cơ học (như độ bền, độ cứng, biến dạng vĩnh viễn khi nén, độ hồi phục ứng suất, tốc độ phục hồi đàn hồi, v.v.), liên quan đến cơ chế lão hóa của cao su trong các điều kiện khác nhau. . Nghiên cứu hiếm khi được tham gia, điều đó có nghĩa là việc dự đoán sự sống vẫn sử dụng phương pháp lão hóa oxy nhiệt tăng tốc. Có những khoảng trống nghiên cứu đáng kể về tác động của điều kiện nhiệt độ và độ ẩm phức tạp, tác động của ứng suất, tác động trung bình, v.v. trong môi trường cao su.
Trong quá trình oxy hóa nhiệt, cao su sẽ tạo ra các sản phẩm oxy hóa khác nhau, được phân bố rõ ràng theo hướng độ dày của sản phẩm và mật độ liên kết ngang của nó cũng sẽ thay đổi. Sau khi tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính và cơ chế lão hóa oxy nhiệt của NBR trong không khí và dầu bôi trơn, tác giả nhận thấy quá trình lão hóa của NBR trong không khí có thể chia thành ba giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên chủ yếu là sự di chuyển của các chất phụ gia (chất làm dẻo, chất chống oxy hóa, v.v.). Ở giai đoạn thứ hai, phản ứng oxy hóa và phản ứng liên kết ngang chiếm ưu thế, biểu hiện bằng sự gia tăng mức độ liên kết ngang và độ cứng, trong khi tốc độ phục hồi đàn hồi giảm. Trong giai đoạn thứ ba của quá trình lão hóa oxy hóa nhiệt muộn, quá trình oxy hóa nghiêm trọng thậm chí có thể khiến chuỗi phân tử bị đứt. Tuy nhiên, tại thời điểm này, tính đàn hồi của NBR gần như đã bị mất hoàn toàn và không thể sử dụng làm vật liệu bịt kín. Trong quá trình này, sự thay đổi hàm lượng chất chống oxy hóa là một chỉ số rất quan trọng. Khi hàm lượng của nó giảm xuống giá trị tới hạn, tốc độ phục hồi đàn hồi sẽ giảm mạnh và độ cứng sẽ tăng mạnh, khiến nó mất hiệu suất. Khi NBR được lão hóa nhiệt trong dầu bôi trơn, trước hết do dầu bôi trơn khuếch tán vào cao su nên cao su có thể duy trì đặc tính đàn hồi tốt trong thời gian dài. Thứ hai, mặc dù dầu bôi trơn cản trở sự khuếch tán oxy ở một mức độ nhất định nhưng mức độ oxy hóa trong dầu cao hơn do tính di động của chuỗi phân tử cao su tăng lên. Nếu cùng một loại dầu có độ nhớt khác nhau thì mức độ oxy hóa ở dầu có độ nhớt thấp sẽ cao hơn ở dầu có độ nhớt cao. Thứ ba, tác dụng chiết của dầu bôi trơn lên chất phụ gia khiến tốc độ di chuyển của chất phụ gia trong cao su nhanh hơn.
Khi được sử dụng làm vật liệu bịt kín, cao su sẽ chịu ứng suất và giãn ra theo thời gian. Gillen và cộng sự. từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia đã nghiên cứu hành vi giảm căng thẳng của cao su butyl với một chủng nhất định ở các nhiệt độ khác nhau và nhận thấy rằng tốc độ giảm căng thẳng được tăng tốc đáng kể trong điều kiện căng thẳng.
Khi vật liệu bịt kín bằng cao su được sử dụng trong các tình huống bịt kín và bôi trơn động, phải xem xét đặc tính ma sát và mài mòn của cao su. Hệ số ma sát của cao su là sự đóng góp chung của chất lỏng, độ bám dính và biến dạng. Độ bám dính là sự kết nối và phá hủy ở cấp độ phân tử và giảm dần theo mô đun đàn hồi, một chức năng của độ nhớt đàn hồi. Ma sát trễ của cao su là một quá trình tiêu tốn năng lượng, kèm theo sự giảm chấn bên trong, nhưng tăng lên khi mô đun đàn hồi giảm. Mài mòn là hư hỏng cục bộ, là kết quả của sự phân hủy mạng lưới liên kết chéo thành các phân tử nhỏ hơn. Nếu là bề mặt sắc nhọn, sự mài mòn sẽ dẫn đến hiện tượng đứt kéo; nếu là bề mặt cùn sẽ dẫn đến hiện tượng mỏi. Các loại dầu khác nhau có tác động khác nhau đến đặc tính ma sát và mài mòn của cao su. Ví dụ, dầu gốc ester làm suy giảm tính chất cơ học của NBR nghiêm trọng hơn dầu khoáng và dầu tổng hợp polyolefin (PAO).