Fallo por envejecimiento y predicción de vida útil de materiales poliméricos.

Fallo por envejecimiento y predicción de la vida útil de materiales poliméricos.
Durante el almacenamiento y uso, los materiales poliméricos se verán afectados por diversos factores ambientales (como luz ultravioleta, calor, humedad, ozono, microorganismos, etc.) y condiciones de trabajo (como estrés, campo eléctrico, campo magnético, medios, etc.) La degradación del fotooxígeno, la degradación térmica, la degradación química, la degradación biológica, etc., conducen a la disminución gradual de diversas propiedades hasta su destrucción. Por lo tanto, es de gran importancia estudiar el mecanismo de falla por envejecimiento y la predicción de la vida útil de los materiales poliméricos. Tomando como ejemplo los materiales de sellado de caucho, los productos fabricados con ellos, como juntas tóricas, copas, sellos de aceite, válvulas, etc., suelen ocupar posiciones clave en equipos mecánicos y, al mismo tiempo, suelen ser los puntos débiles. enlaces de componentes o conjuntos. Si pierde su capacidad de sellado, se debe desmontar y reemplazar; de lo contrario, se puede desechar todo el producto.
La esencia del envejecimiento del caucho es la reticulación o rotura de las cadenas moleculares del caucho, que es principalmente un mecanismo de oxidación autocatalítica. El tipo y la composición del caucho en bruto determinan en gran medida la estabilidad del producto ante el envejecimiento. Por ejemplo, la resistencia al calor del caucho de silicona y del caucho fluorado es mejor que la del caucho de nitrilo butadieno (NBR); la resistencia al calor del caucho de nitrilo butadieno hidrogenado (HNBR) Cuanto mayor sea la saturación, mejor será la estabilidad térmica; A medida que aumenta el contenido de acrilonitrilo (AN), aumentan la resistencia al aceite y la resistencia al envejecimiento del NBR, pero al mismo tiempo disminuyen su rendimiento de sellado y su resistencia a bajas temperaturas. El sistema de vulcanización del caucho, el sistema estabilizador, los rellenos y los plastificantes afectarán las propiedades de envejecimiento de la matriz. Para el caucho de silicona o el caucho de poliuretano que se hidroliza fácilmente o tiene cierta hidrofilicidad, la humedad acelerará su envejecimiento. Durante su uso, los materiales de sellado de caucho a menudo tienen que resistir una cierta deformación y entrar en contacto con medios aceitosos. Esto hace que el proceso de envejecimiento del material no sea solo un proceso de degradación termooxidativa, sino también la influencia de los medios aceitosos y el estrés.
La vida útil del caucho generalmente se evalúa mediante una prueba de envejecimiento térmico acelerado con oxígeno, es decir, se realiza una prueba de envejecimiento acelerado a una temperatura más alta y la vida se predice extrapolando los resultados de la medición a la temperatura de uso (servicio) usando la fórmula de Arrhenius. . Esto requiere que el mecanismo que conduce a la degradación no cambie dentro del rango de temperatura bajo investigación. En la mayoría de los casos, se ha demostrado que el método Arrhenius es aplicable, pero muchos investigadores han informado que el comportamiento no Arrhenius del envejecimiento del caucho no es completamente aplicable. Por ejemplo, cuando Bernstein et al. estudiaron el envejecimiento acelerado de la fluorosilicona, encontraron que la curva de Arrhenius de su comportamiento de relajación de la tensión de compresión se desvió en 80 grados, lo que provocó que los segmentos de alta y baja temperatura mostraran dos energías de activación (73 kJ · mol -1 y 29 kJ ·mol-1). Calculada a partir de la energía de activación de la sección de baja temperatura, la vida útil correspondiente a una pérdida de rendimiento del 50 % es de 17 años, mientras que la vida útil extrapolada directamente a partir de la energía de activación de la sección de alta temperatura es de hasta 900 años. La edición, edición y reimpresión realizada por Jiayu Testing Network debe indicar la fuente. Una diferencia tan grande indica que las condiciones de envejecimiento reales son diferentes del envejecimiento acelerado, lo que da como resultado cambios en el mecanismo de envejecimiento o cambios en el mecanismo de envejecimiento en diferentes rangos de temperatura, lo que hará que los resultados de una simple extrapolación no sean confiables. Sin embargo, el trabajo de investigación actual parte principalmente de las necesidades reales de las aplicaciones de ingeniería, centrándose en las propiedades mecánicas (como resistencia, dureza, deformación permanente por compresión, relajación de tensiones, tasa de recuperación elástica, etc.), en relación con el mecanismo de envejecimiento del caucho en diferentes condiciones. . Rara vez se realizan investigaciones, lo que significa que la predicción de la vida todavía utiliza el método de envejecimiento térmico acelerado por oxígeno. Existen considerables lagunas en la investigación sobre el impacto de condiciones complejas de temperatura y humedad, efectos del estrés, efectos del medio, etc. en el entorno del caucho.
Durante el proceso de oxidación térmica, el caucho generará diversos productos de oxidación, que obviamente se distribuyen en la dirección del espesor del producto, y su densidad de reticulación también cambiará. Después de realizar una investigación en profundidad sobre el comportamiento y el mecanismo del envejecimiento térmico por oxígeno del NBR en el aire y el aceite lubricante, el autor descubrió que el proceso de envejecimiento del NBR en el aire se puede dividir en tres etapas. La primera etapa es principalmente la migración de aditivos (plastificantes, antioxidantes, etc.). En la segunda etapa, dominan la reacción de oxidación y la reacción de reticulación, que se manifiestan por el aumento del grado de reticulación y la dureza, mientras que la tasa de recuperación elástica disminuye. En la tercera etapa del envejecimiento por oxidación térmica tardía, la oxidación severa puede incluso provocar la rotura de cadenas moleculares. Sin embargo, en este momento, la elasticidad del NBR se ha perdido casi por completo y no se puede utilizar como material de sellado. En este proceso, el cambio en el contenido de antioxidantes es un indicador muy importante. Cuando su contenido cae a un valor crítico, la tasa de recuperación elástica disminuirá drásticamente y la dureza aumentará drásticamente, lo que hará que pierda su rendimiento. Cuando el NBR envejece térmicamente en aceite lubricante, en primer lugar, debido a la difusión del aceite lubricante en el caucho, el caucho puede mantener buenas propiedades de resiliencia durante mucho tiempo. En segundo lugar, aunque el aceite lubricante dificulta en cierta medida la difusión de oxígeno, el grado de oxidación en el aceite es mayor debido a la mayor movilidad de las cadenas moleculares del caucho. Si el mismo tipo de aceite tiene diferentes viscosidades, el grado de oxidación en el aceite de baja viscosidad será mayor que en el aceite de alta viscosidad. En tercer lugar, el efecto de extracción del aceite lubricante sobre los aditivos hace que la velocidad de migración de los aditivos en el caucho sea más rápida.
Cuando se utiliza como material de sellado, el caucho está sujeto a tensión y se relaja con el tiempo. Gillen y cols. del Laboratorio Nacional Sandia estudiaron el comportamiento de relajación de tensiones del caucho butílico con una determinada deformación a diferentes temperaturas y descubrieron que la tasa de relajación de tensiones se aceleraba significativamente en condiciones de tensión.
Cuando se utilizan materiales de sellado de caucho en situaciones dinámicas de sellado y lubricación, se deben considerar las propiedades de fricción y desgaste del caucho. El coeficiente de fricción del caucho es la contribución conjunta del líquido, la adherencia y la deformación. La adhesión es conexión y destrucción a nivel molecular y disminuye con el módulo elástico, una función de la viscoelasticidad. La fricción histerética del caucho es un proceso que consume energía, acompañado de amortiguación interna, pero aumenta a medida que disminuye el módulo elástico. El desgaste es un daño localizado, resultado de la descomposición de la red entrecruzada en moléculas más pequeñas. Si se trata de una superficie afilada, el desgaste provocará una falla por tracción; si es una superficie desafilada, provocará una falla por fatiga. Los diferentes medios oleosos tienen diferentes efectos sobre las propiedades de fricción y desgaste del caucho. Por ejemplo, el aceite base éster degrada las propiedades mecánicas del NBR más seriamente que el aceite mineral y el aceite sintético de poliolefina (PAO).