Falha no envelhecimento e previsão de vida útil de materiais poliméricos

Falha no envelhecimento e previsão de vida de materiais poliméricos
Durante o armazenamento e uso, os materiais poliméricos serão afetados por vários fatores ambientais (como luz ultravioleta, calor, umidade, ozônio, microorganismos, etc.) e condições de trabalho (como estresse, campo elétrico, campo magnético, mídia, etc.) A degradação do fotooxigênio, a degradação térmica, a degradação química, a degradação biológica, etc., levam ao declínio gradual de várias propriedades até a destruição. Portanto, é de grande importância estudar o mecanismo de falha por envelhecimento e a previsão de vida de materiais poliméricos. Tomando como exemplo os materiais de vedação de borracha, os produtos feitos com eles, como juntas, anéis de vedação, copos, retentores de óleo, válvulas, etc., estão frequentemente em posições-chave em equipamentos mecânicos e, ao mesmo tempo, são frequentemente os fracos ligações de componentes ou montagens. Caso perca a capacidade de vedação, deverá ser desmontado e substituído, caso contrário todo o produto poderá ser sucateado.
A essência do envelhecimento da borracha é a reticulação ou quebra das cadeias moleculares da borracha, que é principalmente um mecanismo de oxidação autocatalítica. O tipo e a composição da borracha bruta determinam em grande parte a estabilidade ao envelhecimento do produto. Por exemplo, a resistência ao calor da borracha de silicone e da borracha de flúor é melhor do que a da borracha nitrílica butadieno (NBR); a resistência ao calor da borracha de nitrila butadieno hidrogenada (HNBR). Quanto maior a saturação, melhor a estabilidade térmica; à medida que o teor de acrilonitrila (AN) aumenta, a resistência ao óleo e ao envelhecimento do NBR aumentam, mas ao mesmo tempo seu desempenho de vedação e resistência a baixas temperaturas diminuem. O sistema de vulcanização da borracha, o sistema de estabilização, as cargas e os plastificantes afetarão as propriedades de envelhecimento da matriz. Para borracha de silicone ou borracha de poliuretano que é facilmente hidrolisada ou possui certa hidrofilicidade, a umidade acelerará seu envelhecimento. Durante o uso, os materiais de vedação de borracha geralmente precisam suportar uma certa deformação e entrar em contato com meios oleosos. Isso faz com que o processo de envelhecimento do material não seja apenas um processo de degradação termo-oxidativa, mas também a influência do meio oleoso e do estresse.
A vida útil da borracha geralmente é avaliada por meio de um teste de envelhecimento térmico acelerado com oxigênio, ou seja, um teste de envelhecimento acelerado é realizado em uma temperatura mais alta, e a vida útil é prevista extrapolando os resultados da medição para a temperatura de uso (serviço) usando a fórmula de Arrhenius . Isto requer que o mecanismo que leva à degradação não mude dentro da faixa de temperatura sob investigação. Na maioria dos casos, o método Arrhenius provou ser aplicável, mas muitos pesquisadores relataram que o comportamento Não-Arrhenius do envelhecimento da borracha não é completamente aplicável. Por exemplo, quando Bernstein et al. estudaram o envelhecimento acelerado do fluorossilicone, eles descobriram que a curva de Arrhenius de seu comportamento de relaxamento de tensão compressiva se desviou em 80 graus, fazendo com que os segmentos de alta e baixa temperatura mostrassem duas energias de ativação (73kJ·mol-1 e 29kJ ·mol-1). Calculada a partir da energia de ativação da seção de baixa temperatura, a vida útil correspondente a 50% de perda de desempenho é de 17 anos, enquanto a vida útil extrapolada diretamente da energia de ativação da seção de alta temperatura é de até 900 anos. Edição, edição e reimpressão pela Jiayu Testing Network deve indicar a fonte. Uma diferença tão grande indica que as condições reais de envelhecimento são diferentes do envelhecimento acelerado, resultando em alterações no mecanismo de envelhecimento, ou alterações no mecanismo de envelhecimento em diferentes faixas de temperatura, o que tornará os resultados de extrapolação simples não confiáveis. No entanto, o trabalho de pesquisa atual parte principalmente das necessidades reais das aplicações de engenharia, com foco nas propriedades mecânicas (como resistência, dureza, deformação permanente por compressão, relaxamento de tensões, taxa de recuperação elástica, etc.), no que diz respeito ao mecanismo de envelhecimento da borracha sob diferentes condições. . A pesquisa raramente é envolvida, o que significa que a previsão da vida ainda usa o método de envelhecimento térmico acelerado por oxigênio. Existem lacunas consideráveis ​​na investigação sobre o impacto de condições complexas de temperatura e humidade, efeitos de tensão, efeitos do meio, etc., no ambiente da borracha.
Durante o processo de oxidação térmica, a borracha irá gerar vários produtos de oxidação, que são obviamente distribuídos na direção da espessura do produto, e sua densidade de reticulação também mudará. Depois de realizar pesquisas aprofundadas sobre o comportamento e mecanismo de envelhecimento térmico do oxigênio do NBR no ar e no óleo lubrificante, o autor descobriu que o processo de envelhecimento do NBR no ar pode ser dividido em três estágios. A primeira etapa consiste principalmente na migração de aditivos (plastificantes, antioxidantes, etc.). No segundo estágio, predominam a reação de oxidação e a reação de reticulação, manifestada pelo aumento do grau de reticulação e da dureza, enquanto a taxa de recuperação elástica diminui. No terceiro estágio do envelhecimento por oxidação térmica tardia, a oxidação severa pode até causar a quebra das cadeias moleculares. Porém, neste momento, a elasticidade do NBR foi quase completamente perdida e ele não pode ser usado como material de vedação. Neste processo, a alteração do teor de antioxidantes é um indicador muito importante. Quando seu conteúdo cai para um valor crítico, a taxa de recuperação elástica cairá drasticamente e a dureza aumentará drasticamente, fazendo com que perca seu desempenho. Quando o NBR é envelhecido termicamente em óleo lubrificante, em primeiro lugar, devido à difusão do óleo lubrificante na borracha, a borracha pode manter boas propriedades de resiliência por um longo tempo. Em segundo lugar, embora o óleo lubrificante dificulte até certo ponto a difusão do oxigênio, o grau de oxidação no óleo é maior devido ao aumento da mobilidade das cadeias moleculares da borracha. Se o mesmo tipo de óleo tiver viscosidades diferentes, o grau de oxidação no óleo de baixa viscosidade será maior do que no óleo de alta viscosidade. Terceiro, o efeito de extração do óleo lubrificante nos aditivos faz com que a velocidade de migração dos aditivos na borracha seja mais rápida.
Quando usada como material de vedação, a borracha fica sujeita a tensões e relaxa com o tempo. Gillen et al. do Laboratório Nacional Sandia estudou o comportamento de relaxamento de tensão da borracha butílica com uma certa deformação em diferentes temperaturas e descobriu que a taxa de relaxamento de tensão foi significativamente acelerada sob condições de tensão.
Quando materiais de vedação de borracha são usados ​​em situações dinâmicas de vedação e lubrificação, as propriedades de atrito e desgaste da borracha devem ser consideradas. O coeficiente de atrito da borracha é a contribuição conjunta de líquido, adesão e deformação. A adesão é conexão e destruição em nível molecular e diminui com o módulo de elasticidade, uma função da viscoelasticidade. O atrito histerético da borracha é um processo que consome energia, acompanhado de amortecimento interno, mas aumenta à medida que o módulo de elasticidade diminui. O desgaste é um dano localizado, resultado da quebra da rede reticulada em moléculas menores. Se for uma superfície pontiaguda, o desgaste levará à ruptura por tração; se for uma superfície romba, levará à falha por fadiga. Diferentes meios oleosos têm efeitos diferentes nas propriedades de atrito e desgaste da borracha. Por exemplo, o óleo base éster degrada as propriedades mecânicas do NBR mais seriamente do que o óleo mineral e o óleo sintético de poliolefina (PAO).