北测 北测

高分子材料的老化失效

发布时间:2022年06月16日 浏览数:2 文章出自:北测实验室

聚合物材料在储存和使用过程中,会因受到各种环境因素(如紫外光、热、湿、臭氧、微生物等)和工况因素(如应力、电场、磁场、介质等)的影响而发生光氧降解、热降解、化学降解、生物降解等,导致各项性能逐渐下降,直至破坏。因此,对聚合物材料的老化失效机制及寿命预测研究具有非常重要的意义。以橡胶密封材料为例,它所制备的制品,如垫片、O形圈、皮碗、油封、活门等常在机械装备中处于关键部位,同时又往往是部件或组合件的薄弱环节。若其丧失密封能力就不得不拆开更换,否则可能会导致整个产品报废。

UV测试.jpg

橡胶老化的实质是橡胶分子链的交联或断裂,多为自动催化氧化机理。橡胶的生胶种类及其组成在很大程度上决定了制品的老化稳定性,如硅橡胶和氟橡胶的耐热性要优于丁腈橡胶(NBR)的;氢化丁腈橡胶(HNBR)的饱和度越高,热稳定性越好;随着丙烯晴(AN)含量增加,NBR的耐油性能和耐老化性能提高,但同时其密封性能和耐低温性能下降。橡胶的硫化体系、稳定体系、填料和增塑剂等都会对基体的老化性能产生影响。对于容易水解或具有一定亲水性的硅橡胶或聚氨酯橡胶,湿度会加速其老化。在使用过程中,橡胶密封材料经常要承受一定的形变量,并与油介质接触,这就使得材料的老化过程不单单是热氧降解过程,还要考虑油介质和应力的影响。

通常通过加速热氧老化试验对橡胶的寿命进行评价,即在较高温度下进行加速老化试验,将测定结果用Arrhenius公式向使用(服役)温度下进行外推的方法来预测寿命。这就要求在所考察的温度范围内,导致降解的机理不发生变化。在大多数情况下,Arrhenius方法都被证明是适用的,但也有不少研究者报道了橡胶老化的Non-Arrhenius行为并不完全适用。如:

Bernstein等在研究氟硅胶的加速老化时发现,其压缩应力松弛行为的Arrhenius曲线在80℃下出现了偏离,使得高温段和低温段表现为两个活化能(73kJ·mol-1和29kJ·mol-1)。由低温段活化能计算得到50%性能损失对应的寿命为17年,而直接由高温段活化能外推得到的寿命则长达900年。如此巨大的差别表明,实际的老化条件与加速老化不同,从而导致老化机理发生变化,或者在不同的温度范围内老化机理发生变化,这都会使得简单的外推结果变得不可靠。但目前的研究工作多从工程应用的实际需求出发,关注的重心放在力学性能(如强度、硬度、压缩永久变形、应力松弛、弹性回复率等)上,关于橡胶在不同条件下的老化机理研究却很少涉及,这就使得寿命预测仍采用加速热氧老化方法,对橡胶使用环境中复杂的温湿度条件的影响、应力效应、介质效应等都有相当多的研究空白。

橡胶在热氧化过程中会生成各种氧化产物,并在制品的厚度方向存在明显的分布,其交联密度也会发生变化。有研究者对NBR在空气和润滑油中的热氧老化行为及机理进行了深入研究后发现,NBR在空气中的老化过程可以分为三个阶段:

第一阶段主要是添加剂(增塑剂、抗氧剂等)的迁移;

第二阶段,氧化反应和交联反应占主导,表现为交联度的增大和硬度的提高,同时弹性回复率下降;

到了热氧老化后期的第三阶段,严重的氧化甚至会导致分子链断裂,但此时,NBR的弹性几乎已完全丧失,不能作为密封材料使用。

在这个过程中,抗氧剂的含量变化是个很重要的指标,当其含量下降到一个临界值时,弹性回复率会急剧下降,同时硬度会急剧上升,使其丧失使用性能。当NBR在润滑油中热老化时,首先,由于润滑油向橡胶中扩散,使得橡胶能够在较长时间内保持良好的回弹性能。第二,尽管润滑油在一定程度上阻碍了氧气的扩散,但由于橡胶分子链的活动性增强,在油中的氧化程度反而较高。如果是不同黏度的同一类油,则在低黏度油中的氧化程度要高于在高粘度油中的。第三,润滑油对添加剂的萃取作用使得橡胶中添加剂的迁移速度较快。

作为密封材料使用时,橡胶都会受到应力作用,并随时间发生松弛。Sandia国家实验室的Gillen等研究了不同温度下一定应变量丁基橡胶的应力松弛行为,发现在有应变的条件下应力松弛速度明显加快。

当橡胶密封材料在动密封和有润滑的情况下使用时,橡胶的摩擦磨损性能则必须考虑。橡胶的摩擦因数是液体、粘接和形变共同的贡献。粘接是分子水平的连接和破坏,随弹性模量的下降而减小,是粘弹性的函数。橡胶的滞后摩擦是耗能过程,伴随内部阻尼,但随弹性模量的下降而增大。磨损是局部破坏,是交联网络分解成小分子的结果。如果是尖锐表面,磨损导致拉伸破坏;如果是钝表面,则导致疲劳破坏。不同的油介质对橡胶摩擦磨损性能的影响也不同,如酯类基础油对NBR力学性能的劣化要比矿物油和聚烯烃合成油(PAO)更严重。

NTEK北测检测,专业第三方可靠性检测机构,作为国家级高新技术企业、新型材料及电子产品综合公共测试平台,是中国第三方检测认证服务的开拓者,也是国内最早从事商品检验、鉴定、测试、认证等服务的专业机构之一,独立第三检测、测试、认证机构,多种检测设备,资深测试、认证工程师,为客户提供一站式检测、测试、认证服务。

了解相关详情或检测认证咨询,请点击☞在线咨询☜,或拨打☞13923764905☜咨询工程师

相关问答 more +

消防类产品可靠性测试

消防产品是指专门用于火灾预防、灭火救援和火灾防护、避难、逃生的产品。应该做的可靠性测试包括环境类的高温、低温、恒定湿热、交变湿热、恒温恒湿、低气压试验、盐雾测试;机械类的振动、冲击、挤压等测试。

盐雾试验是做什么测试

盐雾测试是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验。它分为两大类,一类为天然环境暴露试验,另一类为人工加速模拟盐雾环境试验。人工模拟盐雾环境试验是利用一种具有一定容积空间的试验设备——盐雾试验箱,在其容积空间内用人工的方法,造成盐雾环境来对产品的耐盐雾腐蚀性能质量进行考核。

北测检测参与拟定的《便携式交直流储能电源技术规范》团体标准已实施

近日,由中国赛宝实验室牵头编制,广东省产品认证服务协会立项归口,国内近8家行业相关认证机构、检测实验室、知名生产企业参与制定的《便携式交直流储能电源技术规范》团体标准(T/GDC 185—2022)正式发布,自2022年9月1日开始实施,本标准适用于具有交直流输出功能,并且内置可充电电池的便携式储能电源。标准规定了便携式交直流储能电源的术语和定义、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮

臭氧老化测试基础知识

臭氧(O₃)在常温常压下是一种淡蓝色腥臭味的气体,就有极强的氧化能力。臭氧对除金和铂以外的几乎所有金属都有腐蚀作用,对非金属材料也有强烈的腐蚀作用,尤其对橡胶老化效果最为明显。

切片分析及其应用

切片分析技术在PCB/PCBA、零部件等制造行业中是最重要的分析方法之一,通常被用作品质判定和品质异常分析,作为客观检查、研究与判断的根据。

高分子材料老化试验方法

老化试验主要是指针对橡胶、塑料产品、电器绝缘材料及其他材料进行的热氧老化试验;或者针对电子零配件、塑化产品的换气老化试验。老化试验又分为温度老化、阳光辐照老化、加载老化等等。

676404727
13923764905

微信关注

微信关注