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            塑膠橡膠試驗機的高分子材料的老化失效和壽命預測

            來源:發布時間:2021-07-02 11:28:18點擊率:

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            聚合物材料在儲存和使用過程中,會因受到各種環境因素(如紫外光、熱、濕、臭氧、微生物等)和工況因素(如應力、電場、磁場、介質等)的影響而發生光氧降解、熱降解、化學降解、生物降解等,導致各項性能逐漸下降,直至破壞。因此,對聚合物材料的老化失效機制及壽命預測研究具有非常重要的意義。以橡膠密封材料為例,它所制備的制品,如墊片、O形圈、皮碗、油封、活門等常在機械裝備中處于關鍵部位,同時又往往是部件或組合件的薄弱環節。若其喪失密封能力就不得不拆開更換,否則可能會導致整個產品報廢。

            塑膠橡膠試驗機的橡膠老化實質是橡膠分子鏈的交聯或斷裂,多為自動催化氧化機理。橡膠的生膠種類及其組成在很大程度上決定了制品的老化穩定性,如硅橡膠和氟橡膠的耐熱性要優于丁腈橡膠(NBR)的;氫化丁腈橡膠(HNBR)的飽和度越高,熱穩定性越好;隨著丙烯晴(AN)含量增加,NBR的耐油性能和耐老化性能提高,但同時其密封性能和耐低溫性能下降。橡膠的硫化體系、穩定體系、填料和增塑劑等都會對基體的老化性能產生影響。對于容易水解或具有一定親水性的硅橡膠或聚氨酯橡膠,濕度會加速其老化。在使用過程中,橡膠密封材料經常要承受一定的形變量,并與油介質接觸,這就使得材料的老化過程不單單是熱氧降解過程,還要考慮油介質和應力的影響。

            通常通過加速熱氧老化試驗對塑膠橡膠試驗機的壽命進行評價,即在較高溫度下進行加速老化試驗,將測定結果用Arrhenius公式向使用(服役)溫度下進行外推的方法來預測壽命。這就要求在所考察的溫度范圍內,導致降解的機理不發生變化。在大多數情況下,Arrhenius方法都被證明是適用的,但也有不少研究者報道了橡膠老化的Non-Arrhenius行為并不完全適用。如,Bernstein等在研究氟硅膠的加速老化時發現,其壓縮應力松弛行為的Arrhenius曲線在80℃下出現了偏離,使得高溫段和低溫段表現為兩個活化能(73kJ·mol-1和29kJ·mol-1)。由低溫段活化能計算得到50%性能損失對應的壽命為17年,而直接由高溫段活化能外推得到的壽命則長達900年。嘉峪檢測網編輯整理轉載需注明出處。如此巨大的差別表明,實際的老化條件與加速老化不同,從而導致老化機理發生變化,或者在不同的溫度范圍內老化機理發生變化,這都會使得簡單的外推結果變得不可靠。但目前的研究工作多從工程應用的實際需求出發,關注的重心放在力學性能(如強度、硬度、壓縮變形、應力松弛、彈性回復率等)上,關于橡膠在不同條件下的老化機理研究卻很少涉及,這就使得壽命預測仍采用加速熱氧老化方法,對橡膠使用環境中復雜的溫濕度條件的影響、應力效應、介質效應等都有相當多的研究空白。

            塑膠橡膠試驗機的橡膠在熱氧化過程中會生成各種氧化產物,并在制品的厚度方向存在明顯的分布,其交聯密度也會發生變化。作者對NBR在空氣和潤滑油中的熱氧老化行為及機理進行了深入研究后發現,NBR在空氣中的老化過程可以分為三個階段。階段主要是添加劑(增塑劑、抗氧劑等)的遷移。第二階段,氧化反應和交聯反應占主導,表現為交聯度的增大和硬度的提高,同時彈性回復率下降。到了熱氧老化后期的第三階段,嚴重的氧化甚至會導致分子鏈斷裂,但此時,NBR的彈性幾乎已完全喪失,不能作為密封材料使用。在這個過程中,抗氧劑的含量變化是個很重要的指標,當其含量下降到一個臨界值時,彈性回復率會急劇下降,同時硬度會急劇上升,使其喪失使用性能。當NBR在潤滑油中熱老化時,首先,由于潤滑油向橡膠中擴散,使得橡膠能夠在較長時間內保持良好的回彈性能。第二,盡管潤滑油在一定程度上阻礙了氧氣的擴散,但由于橡膠分子鏈的活動性增強,在油中的氧化程度反而較高。如果是不同黏度的同一類油,則在低黏度油中的氧化程度要高于在高粘度油中的。第三,潤滑油對添加劑的萃取作用使得橡膠中添加劑的遷移速度較快。

            作為密封材料使用時,橡膠都會受到應力作用,并隨時間發生松弛。Sandia國家實驗室的Gillen等研究了不同溫度下一定應變量丁基橡膠的應力松弛行為,發現在有應變的條件下應力松弛速度明顯加快。

            塑膠橡膠試驗機密封材料在動密封和有潤滑的情況下使用時,橡膠的摩擦磨損性能則必須考慮。橡膠的摩擦因數是液體、粘接和形變共同的貢獻。粘接是分子水平的連接和破壞,隨彈性模量的下降而減小,是粘彈性的函數。橡膠的滯后摩擦是耗能過程,伴隨內部阻尼,但隨彈性模量的下降而增大。磨損是局部破壞,是交聯網絡分解成小分子的結果。如果是尖銳表面,磨損導致拉伸破壞;如果是鈍表面,則導致疲勞破壞。不同的油介質對橡膠摩擦磨損性能的影響也不同,如酯類基礎油對NBR力學性能的劣化要比礦物油和聚烯烴合成油(PAO)更嚴重。



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