فشل الشيخوخة والتنبؤ بحياة المواد البوليمرية

فشل الشيخوخة والتنبؤ بحياة مواد البوليمر
أثناء التخزين والاستخدام، ستتأثر مواد البوليمر بعوامل بيئية مختلفة (مثل الأشعة فوق البنفسجية، والحرارة، والرطوبة، والأوزون، والكائنات الحية الدقيقة، وما إلى ذلك) وظروف العمل (مثل الإجهاد، والمجال الكهربائي، والمجال المغناطيسي، والوسائط، وما إلى ذلك). يؤدي تحلل الأكسجين الضوئي، والتحلل الحراري، والتحلل الكيميائي، والتدهور البيولوجي، وما إلى ذلك، إلى التدهور التدريجي للخصائص المختلفة حتى التدمير. ولذلك، فإنه من الأهمية بمكان دراسة آلية فشل الشيخوخة والتنبؤ بحياة مواد البوليمر. إذا أخذنا مواد الختم المطاطية كمثال، فإن المنتجات المصنوعة منها، مثل الحشيات والحلقات الدائرية والأكواب وأختام الزيت والصمامات وما إلى ذلك، غالبًا ما تكون في مواقع رئيسية في المعدات الميكانيكية، وفي نفس الوقت غالبًا ما تكون ضعيفة روابط المكونات أو التجميعات. إذا فقدت قدرتها على الختم، فيجب تفكيكها واستبدالها، وإلا فقد يتم تخريد المنتج بأكمله.
جوهر شيخوخة المطاط هو الربط المتقاطع أو كسر السلاسل الجزيئية المطاطية، والتي تكون في الغالب آلية أكسدة ذاتية التحفيز. يحدد نوع وتكوين المطاط الخام ثبات المنتج إلى حد كبير. على سبيل المثال، المقاومة الحرارية لمطاط السيليكون ومطاط الفلور أفضل من مقاومة مطاط النتريل بوتادين (NBR)؛ المقاومة الحرارية لمطاط النتريل بوتادين المهدرج (HNBR) كلما زاد التشبع، كان الاستقرار الحراري أفضل؛ مع زيادة محتوى الأكريلونيتريل (AN)، تزيد مقاومة الزيت ومقاومة الشيخوخة لـ NBR، ولكن في نفس الوقت ينخفض ​​أداء الختم ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة. سيؤثر نظام الفلكنة المطاطية ونظام التثبيت والحشو والملدنات على خصائص تقادم المصفوفة. بالنسبة لمطاط السيليكون أو مطاط البولي يوريثين الذي يتم تحلله بسهولة أو لديه درجة معينة من المحبة للماء، فإن الرطوبة سوف تسرع من تقادمه. أثناء الاستخدام، غالبًا ما يتعين على مواد الختم المطاطية أن تتحمل قدرًا معينًا من التشوه وتتلامس مع الوسائط الزيتية. وهذا يجعل عملية تعتيق المادة ليست مجرد عملية تحلل حراري مؤكسد، ولكن أيضًا تأثير الوسائط الزيتية والضغط.
يتم عادةً تقييم عمر المطاط من خلال اختبار تقادم الأكسجين الحراري المتسارع، أي أنه يتم إجراء اختبار تقادم متسارع عند درجة حرارة أعلى، ويتم التنبؤ بالعمر من خلال استقراء نتائج القياس لدرجة حرارة الاستخدام (الخدمة) باستخدام صيغة أرينيوس . وهذا يتطلب ألا تتغير الآلية المؤدية إلى التحلل ضمن نطاق درجات الحرارة قيد التحقيق. في معظم الحالات، ثبت أن طريقة أرهينيوس قابلة للتطبيق، ولكن أفاد العديد من الباحثين أن السلوك غير أرهينيوس لتعمير المطاط غير قابل للتطبيق تمامًا. على سبيل المثال، عندما بيرنشتاين وآخرون. بدراسة الشيخوخة المتسارعة للفلوروسيليكون، وجدوا أن منحنى أرهينيوس لسلوك استرخاء الإجهاد الضاغط ينحرف عند 80 درجة، مما يتسبب في إظهار الأجزاء ذات درجة الحرارة العالية والمنخفضة طاقتي تنشيط (73 كيلو جول · مول -1 و 29 كيلو جول · مول -1). تم حساب العمر الافتراضي المحسوب من طاقة التنشيط لقسم درجة الحرارة المنخفضة، وهو ما يعادل 50% من فقدان الأداء، وهو 17 عامًا، في حين أن العمر الافتراضي المستقر مباشرة من طاقة التنشيط لقسم درجة الحرارة المرتفعة يصل إلى 900 عام. يجب أن يشير التحرير والتحرير وإعادة الطباعة بواسطة شبكة اختبار Jiayu إلى المصدر. يشير هذا الاختلاف الكبير إلى أن ظروف الشيخوخة الفعلية تختلف عن الشيخوخة المتسارعة، مما يؤدي إلى تغييرات في آلية الشيخوخة، أو تغيرات في آلية الشيخوخة في نطاقات درجات حرارة مختلفة، مما سيجعل نتائج الاستقراء البسيطة غير موثوقة. ومع ذلك، فإن العمل البحثي الحالي يبدأ في الغالب من الاحتياجات الفعلية للتطبيقات الهندسية، مع التركيز على الخواص الميكانيكية (مثل القوة، والصلابة، والتشوه الدائم بالضغط، وتخفيف الضغط، ومعدل الاسترداد المرن، وما إلى ذلك)، فيما يتعلق بآلية تقادم المطاط في ظل ظروف مختلفة. . نادرًا ما يتم إجراء الأبحاث، مما يعني أن التنبؤ بالحياة لا يزال يستخدم طريقة تعمير الأكسجين الحراري المتسارع. هناك فجوات بحثية كبيرة في تأثير ظروف درجة الحرارة والرطوبة المعقدة، وتأثيرات الإجهاد، والتأثيرات المتوسطة، وما إلى ذلك في البيئة المطاطية.
أثناء عملية الأكسدة الحرارية، سيولد المطاط منتجات أكسدة مختلفة، والتي يتم توزيعها بشكل واضح في اتجاه سمك المنتج، وسوف تتغير أيضًا كثافة الارتباط المتقاطع. بعد إجراء بحث متعمق حول سلوك تعتيق الأكسجين الحراري وآلية NBR في الهواء وزيوت التشحيم، وجد المؤلف أن عملية تعتيق NBR في الهواء يمكن تقسيمها إلى ثلاث مراحل. المرحلة الأولى هي بشكل رئيسي هجرة المواد المضافة (الملدنات، ومضادات الأكسدة، وما إلى ذلك). في المرحلة الثانية، يهيمن تفاعل الأكسدة وتفاعل الارتباط المتقاطع، والذي يتجلى في زيادة درجة الارتباط المتقاطع والصلابة، بينما ينخفض ​​معدل الاسترداد المرن. في المرحلة الثالثة من شيخوخة الأكسدة الحرارية المتأخرة، قد تؤدي الأكسدة الشديدة إلى كسر السلاسل الجزيئية. ومع ذلك، في هذا الوقت، تم فقدان مرونة NBR بالكامل تقريبًا ولا يمكن استخدامها كمواد مانعة للتسرب. في هذه العملية، يعد التغير في محتوى مضادات الأكسدة مؤشرًا مهمًا للغاية. عندما ينخفض ​​محتواه إلى قيمة حرجة، سينخفض ​​معدل الاسترداد المرن بشكل حاد، وسترتفع الصلابة بشكل حاد، مما يؤدي إلى فقدان أدائه. عندما يتقادم NBR حراريًا في زيت التشحيم، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى انتشار زيت التشحيم في المطاط، يمكن للمطاط الحفاظ على خصائص مرونة جيدة لفترة طويلة. ثانيًا، على الرغم من أن زيت التشحيم يعيق انتشار الأكسجين إلى حد ما، إلا أن درجة الأكسدة في الزيت تكون أعلى بسبب زيادة حركة السلاسل الجزيئية المطاطية. وإذا كان نفس النوع من الزيت ذو لزوجة مختلفة، فإن درجة الأكسدة في الزيت منخفض اللزوجة ستكون أعلى منها في الزيت عالي اللزوجة. ثالثًا، يؤدي تأثير استخلاص زيت التشحيم على المواد المضافة إلى زيادة سرعة انتقال المواد المضافة في المطاط.
عند استخدامه كمادة مانعة للتسرب، يتعرض المطاط للضغط ويسترخي مع مرور الوقت. جيلين وآخرون. من مختبر سانديا الوطني درس سلوك استرخاء الإجهاد لمطاط البوتيل مع إجهاد معين عند درجات حرارة مختلفة ووجد أن معدل استرخاء الإجهاد يتسارع بشكل كبير في ظل ظروف متوترة.
عند استخدام مواد الختم المطاطي في حالات الختم والتشحيم الديناميكي، يجب مراعاة خصائص الاحتكاك والتآكل للمطاط. معامل الاحتكاك للمطاط هو المساهمة المشتركة للسائل والالتصاق والتشوه. الالتصاق هو اتصال وتدمير على المستوى الجزيئي ويتناقص مع معامل المرونة، وهي وظيفة اللزوجة المرنة. يعد الاحتكاك الهستيري للمطاط عملية مستهلكة للطاقة، ويصاحبه تخميد داخلي، ولكنه يزداد مع انخفاض معامل المرونة. التآكل هو ضرر موضعي، نتيجة انهيار الشبكة المترابطة إلى جزيئات أصغر. إذا كان سطحًا حادًا، فإن التآكل سيؤدي إلى فشل الشد؛ إذا كان سطحًا غير حاد، فسيؤدي إلى فشل التعب. الوسائط الزيتية المختلفة لها تأثيرات مختلفة على الاحتكاك وخصائص تآكل المطاط. على سبيل المثال، يؤدي زيت قاعدة الإستر إلى تدهور الخواص الميكانيكية للـ NBR بشكل أكثر خطورة من الزيوت المعدنية وزيت البولي أوليفين الاصطناعي (PAO).