Kegagalan Penuaan Dan Prediksi Kehidupan Bahan Polimer

Kegagalan penuaan dan prediksi umur bahan polimer
Selama penyimpanan dan penggunaan, bahan polimer akan dipengaruhi oleh berbagai faktor lingkungan (seperti sinar ultraviolet, panas, kelembaban, ozon, mikroorganisme, dll.) dan kondisi kerja (seperti stres, medan listrik, medan magnet, media, dll.) Degradasi fotooksigen, degradasi termal, degradasi kimia, degradasi biologis, dll., menyebabkan penurunan bertahap berbagai sifat hingga kehancuran. Oleh karena itu, sangat penting untuk mempelajari mekanisme kegagalan penuaan dan prediksi umur bahan polimer. Mengambil contoh bahan penyegel karet, produk yang dibuat darinya, seperti gasket, O-ring, cup, segel oli, katup, dll., sering kali menempati posisi kunci dalam peralatan mekanis, dan pada saat yang sama sering kali merupakan yang lemah. tautan komponen atau rakitan. Jika kehilangan kemampuan penyegelannya, maka harus dibongkar dan diganti, jika tidak seluruh produk dapat dibuang.
Inti dari penuaan karet adalah terjadinya ikatan silang atau putusnya rantai molekul karet, yang sebagian besar merupakan mekanisme oksidasi autokatalitik. Jenis dan komposisi karet mentah sangat menentukan stabilitas penuaan produk. Misalnya, ketahanan panas karet silikon dan karet fluor lebih baik dibandingkan karet nitril butadiena (NBR); ketahanan panas dari karet nitril butadiena terhidrogenasi (HNBR) Semakin tinggi saturasinya, semakin baik stabilitas termalnya; seiring dengan meningkatnya kandungan akrilonitril (AN), ketahanan minyak dan ketahanan penuaan NBR meningkat, namun pada saat yang sama kinerja penyegelan dan ketahanan suhu rendahnya menurun. Sistem vulkanisasi karet, sistem stabilisasi, bahan pengisi dan pemlastis semuanya akan mempengaruhi sifat penuaan matriks. Untuk karet silikon atau karet poliuretan yang mudah terhidrolisis atau memiliki hidrofilisitas tertentu, kelembapan akan mempercepat penuaannya. Selama penggunaan, bahan penyegel karet sering kali harus menahan sejumlah deformasi dan bersentuhan dengan media oli. Hal ini menjadikan proses penuaan material tidak hanya merupakan proses degradasi termo-oksidatif, tetapi juga pengaruh media minyak dan stres.
Umur karet biasanya dievaluasi melalui uji penuaan oksigen termal yang dipercepat, yaitu uji penuaan yang dipercepat dilakukan pada suhu yang lebih tinggi, dan umurnya diprediksi dengan mengekstrapolasi hasil pengukuran ke suhu penggunaan (layanan) menggunakan rumus Arrhenius. . Hal ini mensyaratkan bahwa mekanisme yang menyebabkan degradasi tidak berubah dalam kisaran suhu yang diteliti. Dalam kebanyakan kasus, metode Arrhenius telah terbukti dapat diterapkan, namun banyak peneliti telah melaporkan bahwa perilaku penuaan karet Non-Arrhenius tidak sepenuhnya dapat diterapkan. Misalnya, ketika Bernstein dkk. mempelajari percepatan penuaan fluorosilicone, mereka menemukan bahwa kurva Arrhenius dari perilaku relaksasi tegangan tekannya menyimpang pada 80 derajat, menyebabkan segmen suhu tinggi dan suhu rendah menunjukkan dua energi aktivasi (73kJ·mol-1 dan 29kJ ·mol-1). Dihitung dari energi aktivasi bagian suhu rendah, masa pakai yang terkait dengan hilangnya kinerja 50% adalah 17 tahun, sedangkan masa pakai yang diekstrapolasi langsung dari energi aktivasi bagian suhu tinggi adalah selama 900 tahun. Pengeditan, penyuntingan, dan pencetakan ulang oleh Jiayu Testing Network harus mencantumkan sumbernya. Perbedaan yang begitu besar menunjukkan bahwa kondisi penuaan sebenarnya berbeda dengan penuaan dipercepat, yang mengakibatkan perubahan mekanisme penuaan, atau perubahan mekanisme penuaan pada rentang suhu yang berbeda, sehingga hasil ekstrapolasi sederhana tidak dapat diandalkan. Namun, penelitian saat ini sebagian besar dimulai dari kebutuhan aktual aplikasi teknik, dengan fokus pada sifat mekanik (seperti kekuatan, kekerasan, deformasi permanen kompresi, relaksasi tegangan, laju pemulihan elastis, dll.), mengenai mekanisme penuaan karet dalam berbagai kondisi. . Penelitian jarang dilakukan, artinya prediksi kehidupan masih menggunakan metode percepatan penuaan oksigen termal. Terdapat kesenjangan penelitian yang cukup besar mengenai dampak kondisi suhu dan kelembapan yang kompleks, efek stres, efek sedang, dll. pada lingkungan karet.
Selama proses oksidasi termal, karet akan menghasilkan berbagai produk oksidasi, yang jelas didistribusikan ke arah ketebalan produk, dan kerapatan ikatan silangnya juga akan berubah. Setelah melakukan penelitian mendalam mengenai perilaku penuaan oksigen termal dan mekanisme NBR di udara dan minyak pelumas, penulis menemukan bahwa proses penuaan NBR di udara dapat dibagi menjadi tiga tahap. Tahap pertama terutama adalah migrasi bahan tambahan (plasticizer, antioksidan, dll.). Pada tahap kedua, reaksi oksidasi dan reaksi ikatan silang mendominasi, yang diwujudkan dengan meningkatnya derajat ikatan silang dan kekerasan, sedangkan laju pemulihan elastis menurun. Pada tahap ketiga penuaan oksidasi termal akhir, oksidasi parah bahkan dapat menyebabkan putusnya rantai molekul. Namun saat ini elastisitas NBR hampir hilang seluruhnya dan tidak dapat digunakan sebagai bahan penyegel. Dalam proses ini, perubahan kandungan antioksidan merupakan indikator yang sangat penting. Ketika kandungannya turun hingga nilai kritis, laju pemulihan elastis akan turun tajam, dan kekerasan akan meningkat tajam, sehingga kehilangan kinerjanya. Ketika NBR mengalami penuaan termal dalam minyak pelumas, pertama-tama, karena difusi minyak pelumas ke dalam karet, karet dapat mempertahankan sifat ketahanan yang baik untuk waktu yang lama. Kedua, meskipun minyak pelumas menghambat difusi oksigen sampai batas tertentu, tingkat oksidasi dalam minyak lebih tinggi karena peningkatan mobilitas rantai molekul karet. Jika jenis minyak yang sama mempunyai viskositas yang berbeda, maka bilangan oksidasi pada minyak dengan viskositas rendah akan lebih tinggi dibandingkan dengan minyak dengan viskositas tinggi. Ketiga, adanya pengaruh ekstraksi minyak pelumas terhadap bahan aditif menyebabkan kecepatan migrasi bahan aditif pada karet menjadi lebih cepat.
Saat digunakan sebagai bahan penyegel, karet akan mengalami tekanan dan mengendur seiring waktu. Gillen dkk. dari Laboratorium Nasional Sandia mempelajari perilaku relaksasi tegangan karet butil dengan regangan tertentu pada suhu yang berbeda dan menemukan bahwa tingkat relaksasi tegangan meningkat secara signifikan pada kondisi regangan.
Ketika bahan penyegel karet digunakan dalam situasi penyegelan dan pelumasan dinamis, sifat gesekan dan keausan karet harus dipertimbangkan. Koefisien gesekan karet merupakan kontribusi gabungan cairan, adhesi dan deformasi. Adhesi adalah penyatuan dan penghancuran pada tingkat molekuler dan menurun seiring dengan modulus elastisitas, suatu fungsi viskoelastisitas. Gesekan histeris pada karet merupakan proses yang memakan energi, disertai dengan redaman internal, namun meningkat seiring dengan menurunnya modulus elastisitas. Keausan adalah kerusakan lokal, akibat rusaknya jaringan ikatan silang menjadi molekul yang lebih kecil. Jika permukaannya tajam, keausan akan menyebabkan kegagalan tarik; jika permukaannya tumpul, akan menyebabkan kegagalan kelelahan. Media oli yang berbeda memiliki efek berbeda terhadap sifat gesekan dan keausan karet. Misalnya, oli dasar ester menurunkan sifat mekanik NBR lebih parah dibandingkan oli mineral dan oli sintetis poliolefin (PAO).