고분자 재료의 노화 불량 및 수명 예측

고분자 재료의 노화 파괴 및 수명 예측
보관 및 사용 중에 고분자 재료는 다양한 환경 요인(예: 자외선, 열, 습도, 오존, 미생물 등)과 작업 조건(예: 스트레스, 전기장, 자기장, 매체 등)의 영향을 받습니다. 광산소 분해, 열분해, 화학적 분해, 생물학적 분해 등은 파괴될 때까지 다양한 특성의 점진적인 저하로 이어집니다. 따라서 고분자 재료의 노화 파괴 메커니즘과 수명 예측을 연구하는 것은 큰 의미가 있습니다. 고무 씰링 재료를 예로 들면 개스킷, O-링, 컵, 오일 씰, 밸브 등과 같은 고무 씰링 제품은 종종 기계 장비의 핵심 위치에 있는 동시에 취약한 경우가 많습니다. 구성 요소 또는 어셈블리의 링크. 밀봉력이 떨어지면 분해하여 교체해야 합니다. 그렇지 않으면 제품 전체가 폐기될 수 있습니다.
고무 노화의 본질은 고무 분자 사슬의 가교 또는 파손이며, 이는 대부분 자가촉매 산화 메커니즘입니다. 고무 생고무의 유형과 구성은 제품의 노화 안정성을 크게 결정합니다. 예를 들어, 실리콘 고무와 불소 고무의 내열성은 니트릴 부타디엔 고무(NBR)보다 우수합니다. 수소화 니트릴 부타디엔 고무(HNBR)의 내열성은 포화도가 높을수록 열 안정성이 좋습니다. 아크릴로니트릴(AN) 함량이 증가함에 따라 NBR의 내유성 및 내노화성은 증가하지만 동시에 밀봉 성능 및 저온 저항성은 감소합니다. 고무 가황 시스템, 안정화 시스템, 충전재 및 가소제는 모두 매트릭스의 노화 특성에 영향을 미칩니다. 쉽게 가수분해되거나 특정 친수성을 갖는 실리콘 고무나 폴리우레탄 고무의 경우 습기에 의해 노화가 가속화됩니다. 사용 중에 고무 밀봉재는 일정량의 변형을 견뎌야 하고 오일 매체와 접촉해야 하는 경우가 많습니다. 이로 인해 재료의 노화 과정은 열산화 분해 과정일 뿐만 아니라 오일 매체와 스트레스의 영향도 받습니다.
고무의 수명은 일반적으로 가속 열산소 노화 시험, 즉 가속 노화 시험을 더 높은 온도에서 실시하고, 측정 결과를 아레니우스 공식을 이용하여 사용(사용) 온도에 외삽하여 수명을 예측한다. . 이를 위해서는 성능 저하를 초래하는 메커니즘이 조사 중인 온도 범위 내에서 변경되지 않아야 합니다. 대부분의 경우 Arrhenius 방법이 적용 가능한 것으로 입증되었지만 많은 연구자들은 고무 노화의 Non-Arrhenius 거동이 완전히 적용 가능하지 않다고 보고했습니다. 예를 들어, Bernstein et al. 플루오로실리콘의 노화 가속화를 연구한 결과, 압축 응력 완화 거동의 아레니우스 곡선이 80도에서 벗어나 고온 및 저온 세그먼트에서 두 가지 활성화 에너지(73kJ·mol-1 및 29kJ)를 나타냄을 발견했습니다. ·mol-1). 저온부 활성화 에너지로 계산하면 50% 성능 손실에 해당하는 수명은 17년이고, 고온부 활성화 에너지에서 직접 추정한 수명은 최대 900년이다. Jiayu Testing Network의 편집, 편집 및 재인쇄에는 출처를 표시해야 합니다. 이러한 큰 차이는 실제 노화 조건이 가속 노화와 다르기 때문에 노화 메커니즘이 변경되거나 다양한 온도 범위에서 노화 메커니즘이 변경되어 단순한 외삽 결과를 신뢰할 수 없게 된다는 것을 나타냅니다. 그러나 현재 연구 작업은 다양한 조건에서 고무의 노화 메커니즘과 관련하여 기계적 특성(예: 강도, 경도, 압축 영구 변형, 응력 완화, 탄성 회복률 등)에 초점을 맞춘 엔지니어링 응용의 실제 요구에서 대부분 시작됩니다. . 연구는 거의 포함되지 않습니다. 이는 수명 예측이 여전히 가속 열산소 노화 방법을 사용하고 있음을 의미합니다. 고무 환경에 복잡한 온도 및 습도 조건, 응력 영향, 매체 영향 등이 미치는 영향에 대해서는 상당한 연구 격차가 있습니다.
열산화 과정에서 고무는 다양한 산화 생성물을 생성하는데, 이는 생성물의 두께 방향으로 명백하게 분포되며 가교 밀도도 변화합니다. 공기와 윤활유 내에서 NBR의 열산소 노화 거동과 메커니즘에 대한 심층적인 연구를 수행한 후, 저자는 공기 중 NBR의 노화 과정이 세 단계로 나눌 수 있음을 발견했습니다. 첫 번째 단계는 주로 첨가제(가소제, 산화 방지제 등)의 이동입니다. 두 번째 단계에서는 산화반응과 가교반응이 지배적이며 가교도와 경도가 증가하는 반면 탄성회복률은 감소합니다. 후기 열 산화 노화의 세 번째 단계에서는 심한 산화로 인해 분자 사슬이 끊어질 수도 있습니다. 그러나 이때 NBR의 탄성은 거의 완전히 상실되어 실링재로 사용할 수 없다. 이 과정에서 항산화 성분의 변화는 매우 중요한 지표가 됩니다. 함량이 임계치 이하로 떨어지면 탄성회복률이 급격하게 떨어지며, 경도가 급격하게 상승하여 성능을 잃게 됩니다. NBR이 윤활유 속에서 열 노화되면 우선 윤활유가 고무 내부로 확산되기 때문에 고무는 오랫동안 좋은 탄력성을 유지할 수 있습니다. 둘째, 윤활유는 산소의 확산을 어느 정도 방해하지만 고무 분자 사슬의 이동성이 증가하여 오일의 산화 정도가 더 높습니다. 동일한 종류의 오일이라도 점도가 다른 경우, 저점도 오일의 산화 정도는 고점도 오일보다 높습니다. 셋째, 윤활유가 첨가제에 대한 추출 효과로 인해 고무 내 첨가제의 이동 속도가 빨라집니다.
씰링 재료로 사용하면 고무는 응력을 받고 시간이 지남에 따라 느슨해집니다. Gillenet al. Sandia 국립 연구소의 연구진은 다양한 온도에서 특정 변형률을 적용한 부틸 고무의 응력 완화 거동을 연구한 결과 변형된 조건에서 응력 완화율이 크게 가속화된다는 사실을 발견했습니다.
동적 밀봉 및 윤활 상황에서 고무 밀봉 재료를 사용하는 경우 고무의 마찰 및 마모 특성을 고려해야 합니다. 고무의 마찰 계수는 액체, 접착 및 변형의 공동 기여입니다. 접착력은 분자 수준에서의 연결 및 파괴이며 점탄성의 함수인 탄성 계수에 따라 감소합니다. 고무의 이력 마찰은 내부 감쇠를 동반하는 에너지 소비 과정이지만 탄성 계수가 감소함에 따라 증가합니다. 마모는 국부적인 손상으로, 가교 네트워크가 더 작은 분자로 분해되어 발생합니다. 표면이 날카로운 경우 마모로 인해 인장 파손이 발생합니다. 표면이 무딘 경우 피로 파괴로 이어질 수 있습니다. 다양한 오일 매체는 고무의 마찰 및 마모 특성에 서로 다른 영향을 미칩니다. 예를 들어, 에스테르 기유는 광유나 폴리올레핀 합성유(PAO)보다 NBR의 기계적 특성을 더 심각하게 저하시킵니다.