高分子材料の老化破壊と寿命予測

高分子材料の経年劣化と寿命予測
ポリマー材料は、保管および使用中に、さまざまな環境要因（紫外線、熱、湿度、オゾン、微生物など）や作業条件（ストレス、電場、磁場、媒体など）の影響を受けます。光酸素分解、熱分解、化学分解、生物学的分解などにより、さまざまな特性が徐々に低下し、破壊されます。 したがって、高分子材料の経年劣化メカニズムと寿命予測を研究することは非常に重要です。 ゴムシール材を例にとると、それを使ったガスケット、Oリング、カップ、オイルシール、バルブなどの製品は、機械装置の重要な位置にあると同時に、弱い部分も多いです。コンポーネントまたはアセンブリのリンク。 シール能力が失われると、分解して交換する必要があり、そうしないと製品全体が廃棄される可能性があります。
ゴムの老化の本質はゴムの分子鎖の架橋または切断であり、これは主に自己触媒酸化メカニズムです。 ゴム生ゴムの種類と組成は、製品の経時安定性を大きく左右します。 例えば、シリコーンゴムやフッ素ゴムはニトリルブタジエンゴム（NBR）よりも耐熱性が優れています。 水素化ニトリルブタジエンゴム（HNBR）の耐熱性。飽和度が高いほど熱安定性が良くなります。 アクリロニトリル（AN）の含有量が増加すると、NBRの耐油性と耐老化性は向上しますが、同時にシール性と耐低温性が低下します。 ゴムの加硫システム、安定化システム、充填剤、可塑剤はすべて、マトリックスの経時特性に影響を与えます。 シリコーンゴムやポリウレタンゴムは加水分解しやすい性質や親水性があるため、湿気により劣化が促進されます。 ゴム製シール材は使用中に、ある程度の変形に耐える必要があり、油媒体と接触することがよくあります。 このため、材料の老化プロセスは熱酸化劣化プロセスだけでなく、油媒体や応力の影響も受けます。
ゴムの寿命は通常、加速熱酸素老化試験によって評価されます。つまり、加速老化試験は高温で行われ、アレニウスの公式を使用して測定結果を使用（使用）温度に外挿することによって寿命が予測されます。 。 これには、劣化につながるメカニズムが調査対象の温度範囲内で変化しないことが必要です。 ほとんどの場合、アレニウス法が適用できることが証明されていますが、ゴム老化の非アレニウス挙動は完全には適用できないと多くの研究者が報告しています。 たとえば、バーンスタインらの場合、 フルオロシリコーンの加速老化を研究したところ、その圧縮応力緩和挙動のアレニウス曲線が 80 度で逸脱し、高温部分と低温部分が 2 つの活性化エネルギー (73kJ·mol-1 と 29kJ) を示すことがわかりました。 ·モル-1）。 低温部の活性化エネルギーから計算すると、50％の性能低下に相当する寿命は17年、高温部の活性化エネルギーから直接外挿した寿命は900年にもなります。 Jiayu Testing Networkによる編集、編集、転載には出典を明示する必要があります。 このような大きな差は、実際の老化条件が加速老化とは異なることを示しており、その結果、老化メカニズムが変化したり、異なる温度範囲で老化メカニズムが変化したりするため、単純な外挿結果は信頼性が低くなります。 しかし、現在の研究活動は主に、さまざまな条件下でのゴムの老化メカニズムに関する機械的特性（強度、硬度、圧縮永久変形、応力緩和、弾性回復率など）に焦点を当てた、工学用途の実際のニーズから始まります。 。 研究はほとんど関与していないため、寿命予測には依然として加速熱酸素老化法が使用されています。 ゴム環境における複雑な温度と湿度の条件、応力の影響、媒体の影響などの影響については、かなりの研究ギャップがあります。
ゴムは熱酸化の過程でさまざまな酸化生成物を生成しますが、その酸化生成物は明らかに製品の厚さ方向に分布し、架橋密度も変化します。 著者は、空気中および潤滑油中での NBR の熱酸素老化挙動と機構について詳細な研究を行った結果、空気中での NBR の老化プロセスが 3 つの段階に分けられることを発見しました。 第 1 段階は主に添加剤 (可塑剤、酸化防止剤など) の移行です。 第 2 段階では、酸化反応と架橋反応が優勢となり、架橋度や硬度が増加しますが、弾性回復率は低下します。 後期熱酸化老化の第 3 段階では、激しい酸化により分子鎖が切断されることもあります。 しかし、現時点ではNBRの弾性はほぼ完全に失われており、シール材としては使用できません。 このプロセスでは、抗酸化物質の含有量の変化が非常に重要な指標となります。 含有量が臨界値まで低下すると、弾性回復率が急激に低下し、硬度が急激に上昇して性能が低下します。 NBRを潤滑油中で熱老化させると、まず潤滑油がゴム中に拡散することにより、ゴムは長期間良好な反発特性を維持することができます。 第二に、潤滑油は酸素の拡散をある程度妨げますが、ゴム分子鎖の運動性が高まるため、油中の酸化度はより高くなります。 同じ種類のオイルでも粘度が異なると、低粘度のオイルの酸化度が高粘度のオイルよりも高くなります。 第三に、添加剤に対する潤滑油の抽出効果により、ゴム中の添加剤の移行速度が速くなります。
シール材として使用すると、ゴムは応力を受け、時間の経過とともに緩和します。 ギレンら。 サンディア国立研究所のDr.らは、さまざまな温度で特定のひずみを与えたブチルゴムの応力緩和挙動を研究し、ひずみ条件下では応力緩和速度が大幅に加速されることを発見しました。
ゴム製シール材を動的シールおよび潤滑の状況で使用する場合、ゴムの摩擦および摩耗特性を考慮する必要があります。 ゴムの摩擦係数は、液体、接着、変形の共同寄与です。 接着は分子レベルでの結合と破壊であり、粘弾性の関数である弾性率とともに減少します。 ゴムのヒステリシス摩擦はエネルギーを消費するプロセスであり、内部減衰を伴いますが、弾性率が低下するにつれて増加します。 摩耗は局所的な損傷であり、架橋ネットワークがより小さな分子に破壊された結果です。 鋭利な表面の場合、摩耗により引張破壊が発生します。 表面が鈍い場合は疲労破壊につながります。 オイル媒体が異なると、ゴムの摩擦特性と摩耗特性に異なる影響を及ぼします。 たとえば、エステル基油は鉱物油やポリオレフィン合成油（PAO）よりも NBR の機械的特性をより深刻に劣化させます。