כשל הזדקנות וחיזוי חיים של חומרים פולימרים

כשל הזדקנות וחיזוי חיים של חומרים פולימריים
במהלך האחסון והשימוש, חומרים פולימריים יושפעו מגורמים סביבתיים שונים (כגון אור אולטרה סגול, חום, לחות, אוזון, מיקרואורגניזמים וכו') ומתנאי עבודה (כגון מתח, שדה חשמלי, שדה מגנטי, מדיה וכו'). פירוק פוטו חמצן, פירוק תרמי, פירוק כימי, פירוק ביולוגי ועוד, מביאים לירידה הדרגתית של תכונות שונות עד להרס. לכן, ישנה משמעות רבה לחקור את מנגנון כשל ההזדקנות ואת חיזוי החיים של חומרים פולימריים. אם לוקחים חומרי איטום גומי כדוגמה, המוצרים העשויים ממנו, כמו אטמים, טבעות O, כוסות, אטמי שמן, שסתומים וכו', נמצאים לרוב בעמדות מפתח בציוד מכני, ובמקביל הם לרוב החלשים קישורים של רכיבים או מכלולים. אם הוא מאבד את יכולת האיטום שלו, יש לפרק אותו ולהחליף אותו, אחרת המוצר כולו עלול להישמט.
המהות של הזדקנות הגומי היא הצלבות או שבירה של שרשראות מולקולריות של גומי, שהוא בעיקר מנגנון חמצון אוטוקטליטי. סוג והרכבו של גומי גולמי קובעים את יציבות ההזדקנות של המוצר במידה רבה. לדוגמה, עמידות החום של גומי סיליקון וגומי פלואור טובה יותר מזו של גומי ניטריל בוטאדיאן (NBR); עמידות החום של גומי ניטריל בוטאדיאן מוקשה (HNBR) ככל שהרוויה גבוהה יותר, כך היציבות התרמית טובה יותר; ככל שתכולת האקרילוניטריל (AN) עולה, עמידות השמן ועמידות ההזדקנות של NBR גדלה, אך במקביל ביצועי האיטום שלו ועמידות הטמפרטורה הנמוכה יורדים. מערכת גיפור הגומי, מערכת הייצוב, חומרי המילוי והפלסטיקאים ישפיעו כולם על תכונות ההזדקנות של המטריצה. עבור גומי סיליקון או גומי פוליאוריטן שעוברים הידרוליזה בקלות או בעלי הידרופיליות מסוימת, הלחות תאיץ את הזדקנותו. במהלך השימוש, חומרי איטום גומי צריכים לעתים קרובות לעמוד בכמות מסוימת של דפורמציה ולבוא במגע עם אמצעי שמן. זה הופך את תהליך ההזדקנות של החומר לא רק לתהליך פירוק תרמו-חמצוני, אלא גם להשפעה של אמצעי שמן ולחץ.
אורך החיים של הגומי מוערך בדרך כלל באמצעות בדיקת הזדקנות חמצן תרמית מואצת, כלומר, בדיקת הזדקנות מואצת מתבצעת בטמפרטורה גבוהה יותר, וחיזוי החיים מתבצע על ידי אקסטרפולציה של תוצאות המדידה לטמפרטורת השימוש (השירות) באמצעות נוסחת Arrhenius . הדבר מחייב שהמנגנון המוביל לפירוק לא ישתנה בטווח הטמפרטורות הנבדק. ברוב המקרים, שיטת Arrhenius הוכחה כיעילה, אך חוקרים רבים דיווחו כי ההתנהגות ה-Non-Arrhenius של הזדקנות הגומי אינה ישימה לחלוטין. לדוגמה, כאשר ברנשטיין וחב'. חקרו את ההזדקנות המואצת של פלואורסיליקון, הם גילו שעקומת Arrhenius של התנהגות הרפיית מתח הלחיצה שלו חרגה ב-80 מעלות, מה שגרם למקטעי הטמפרטורה הגבוהה והטמפרטורה הנמוכה להראות שתי אנרגיות הפעלה (73kJ·mol-1 ו-29kJ ·מול-1). מחושב מאנרגיית ההפעלה של הקטע בטמפרטורה נמוכה, החיים המקבילים לאובדן ביצועים של 50% הם 17 שנים, בעוד שאורך החיים המופקר ישירות מאנרגיית ההפעלה של הקטע בטמפרטורה גבוהה הוא עד 900 שנים. עריכה, עריכה והדפסה מחדש על ידי Jiayu Testing Network חייבת לציין את המקור. הבדל עצום שכזה מצביע על כך שתנאי ההזדקנות בפועל שונים מהזדקנות מואצת, וכתוצאה מכך שינויים במנגנון ההזדקנות, או שינויים במנגנון ההזדקנות בטווחי טמפרטורות שונים, מה שיהפוך את תוצאות האקסטרפולציה הפשוטות ללא אמינות. עם זאת, עבודת המחקר הנוכחית מתחילה בעיקר מהצרכים האמיתיים של יישומים הנדסיים, תוך התמקדות בתכונות מכניות (כגון חוזק, קשיות, דפורמציה קבועה של דחיסה, הרפיית מתח, קצב התאוששות אלסטי וכו'), לגבי מנגנון ההזדקנות של גומי בתנאים שונים . לעתים רחוקות מעורב מחקר, מה שאומר שחיזוי חיים עדיין משתמש בשיטת הזדקנות החמצן התרמי המואצת. קיימים פערים מחקריים ניכרים בהשפעה של תנאי טמפרטורה ולחות מורכבים, השפעות מתח, השפעות בינוניות וכו' בסביבת הגומי.
במהלך תהליך החמצון התרמי, הגומי יפיק תוצרי חמצון שונים, המופצים כמובן בכיוון העובי של המוצר, וגם צפיפות ההצלבה שלו תשתנה. לאחר ביצוע מחקר מעמיק על התנהגות ומנגנון הזדקנות החמצן התרמי של NBR באוויר ושמן סיכה, המחבר מצא שניתן לחלק את תהליך ההזדקנות של NBR באוויר לשלושה שלבים. השלב הראשון הוא בעיקר נדידת תוספים (חומרי פלסטיק, נוגדי חמצון וכו'). בשלב השני שולטות תגובת החמצון ותגובת ההצלבה, המתבטאת בעלייה בדרגת ההצלבה ובקשיות, בעוד שקצב ההחלמה האלסטי יורד. בשלב השלישי של הזדקנות חמצון תרמי מאוחר, חמצון חמור עלול אף לגרום לשרשראות מולקולריות להישבר. עם זאת, בשלב זה, הגמישות של NBR אבדה כמעט לחלוטין ולא ניתן להשתמש בו כחומר איטום. בתהליך זה, השינוי בתכולת נוגדי החמצון הוא אינדיקטור חשוב מאוד. כאשר תכולתו יורדת לערך קריטי, קצב ההתאוששות האלסטי ירד בחדות, והקשיות תעלה בחדות, מה שיגרום לו לאבד את ביצועיו. כאשר NBR מיושן תרמית בשמן סיכה, קודם כל, עקב דיפוזיה של שמן סיכה לתוך הגומי, הגומי יכול לשמור על תכונות גמישות טובות לאורך זמן. שנית, למרות ששמן סיכה מעכב את דיפוזיה של חמצן במידה מסוימת, מידת החמצון בשמן גבוהה יותר בשל הניידות המוגברת של שרשראות המולקולריות הגומי. אם אותו סוג שמן הוא בצמיגות שונה, מידת החמצון בשמן בעל צמיגות נמוכה תהיה גבוהה יותר מאשר בשמן בעל צמיגות גבוהה. שלישית, השפעת המיצוי של שמן סיכה על תוספים גורמת למהירות הנדידה של תוספים בגומי להיות מהירה יותר.
בשימוש כחומר איטום, גומי נתון ללחץ ומרגיע לאורך זמן. גילן וחב'. מהמעבדה הלאומית של Sandia חקרה את התנהגות הרפיית המתח של גומי בוטיל עם מתיחה מסוימת בטמפרטורות שונות ומצאה שקצב הרפיית המתח הואץ באופן משמעותי בתנאי מתח.
כאשר משתמשים בחומרי איטום גומי במצבי איטום ושימון דינמיים, יש להתחשב בתכונות החיכוך והבלאי של הגומי. מקדם החיכוך של גומי הוא התרומה המשותפת של נוזל, הידבקות ועיוות. הידבקות היא חיבור והרס ברמה המולקולרית ויורדת עם מודול אלסטי, פונקציה של צמיגיות. החיכוך ההיסטרי של הגומי הוא תהליך גוזל אנרגיה, המלווה בשיכוך פנימי, אך גדל ככל שמודול האלסטי יורד. בלאי הוא נזק מקומי, תוצאה של פירוק הרשת המצולבת למולקולות קטנות יותר. אם מדובר במשטח חד, בלאי יוביל לכישלון מתיחה; אם זה משטח קהה, זה יוביל לכישלון עייפות. למדיות שמן שונות יש השפעות שונות על תכונות החיכוך והבלאי של הגומי. לדוגמה, שמן בסיס אסטר משפיל את התכונות המכניות של NBR בצורה רצינית יותר מאשר שמן מינרלי ושמן סינטטי פוליאולפין (PAO).