Échec du vieillissement et prévision de la durée de vie des matériaux polymères

Rupture de vieillissement et prédiction de la durée de vie des matériaux polymères
Pendant le stockage et l'utilisation, les matériaux polymères seront affectés par divers facteurs environnementaux (tels que la lumière ultraviolette, la chaleur, l'humidité, l'ozone, les micro-organismes, etc.) et les conditions de travail (tels que le stress, le champ électrique, le champ magnétique, les médias, etc.) La dégradation du photooxygène, la dégradation thermique, la dégradation chimique, la dégradation biologique, etc., conduisent au déclin progressif de diverses propriétés jusqu'à leur destruction. Il est donc très important d’étudier le mécanisme de défaillance lié au vieillissement et la prévision de la durée de vie des matériaux polymères. En prenant comme exemple les matériaux d'étanchéité en caoutchouc, les produits qui en sont fabriqués, tels que les joints, les joints toriques, les coupelles, les joints d'huile, les vannes, etc., occupent souvent des positions clés dans les équipements mécaniques, et en même temps sont souvent les faibles liens de composants ou d'assemblages. S'il perd sa capacité d'étanchéité, il doit être démonté et remplacé, sinon l'ensemble du produit risque d'être mis au rebut.
L’essence du vieillissement du caoutchouc est la réticulation ou la rupture des chaînes moléculaires du caoutchouc, qui est principalement un mécanisme d’oxydation autocatalytique. Le type et la composition du caoutchouc brut déterminent dans une large mesure la stabilité du produit au vieillissement. Par exemple, la résistance à la chaleur du caoutchouc de silicone et du caoutchouc fluoré est meilleure que celle du caoutchouc nitrile butadiène (NBR) ; la résistance thermique du caoutchouc nitrile butadiène hydrogéné (HNBR) Plus la saturation est élevée, meilleure est la stabilité thermique ; à mesure que la teneur en acrylonitrile (AN) augmente, la résistance à l'huile et la résistance au vieillissement du NBR augmentent, mais en même temps ses performances d'étanchéité et sa résistance aux basses températures diminuent. Le système de vulcanisation du caoutchouc, le système de stabilisation, les charges et les plastifiants affecteront tous les propriétés de vieillissement de la matrice. Pour le caoutchouc silicone ou le caoutchouc polyuréthane facilement hydrolysable ou présentant une certaine hydrophilie, l'humidité va accélérer son vieillissement. Lors de leur utilisation, les matériaux d'étanchéité en caoutchouc doivent souvent résister à une certaine déformation et entrer en contact avec des fluides pétroliers. Cela fait du processus de vieillissement du matériau non seulement un processus de dégradation thermo-oxydative, mais également l'influence des milieux pétroliers et des contraintes.
La durée de vie du caoutchouc est généralement évaluée par un test de vieillissement thermique accéléré à l'oxygène, c'est-à-dire qu'un test de vieillissement accéléré est effectué à une température plus élevée, et la durée de vie est prédite en extrapolant les résultats de mesure à la température d'utilisation (de service) à l'aide de la formule d'Arrhenius. . Cela nécessite que le mécanisme conduisant à la dégradation ne change pas dans la plage de température étudiée. Dans la plupart des cas, la méthode d'Arrhenius s'est avérée applicable, mais de nombreux chercheurs ont signalé que le comportement non-Arrhenius du vieillissement du caoutchouc n'est pas entièrement applicable. Par exemple, lorsque Bernstein et al. ont étudié le vieillissement accéléré du fluorosilicone, ils ont découvert que la courbe d'Arrhenius de son comportement de relaxation des contraintes de compression s'écartait à 80 degrés, ce qui faisait que les segments à haute et basse température montraient deux énergies d'activation (73kJ·mol-1 et 29kJ ·mol-1). Calculée à partir de l'énergie d'activation de la section à basse température, la durée de vie correspondant à une perte de performance de 50 % est de 17 ans, tandis que la durée de vie directement extrapolée à partir de l'énergie d'activation de la section à haute température peut atteindre 900 ans. L'édition, l'édition et la réimpression par Jiayu Testing Network doivent indiquer la source. Une différence aussi énorme indique que les conditions de vieillissement réelles sont différentes du vieillissement accéléré, ce qui entraîne des modifications du mécanisme de vieillissement ou des modifications du mécanisme de vieillissement dans différentes plages de température, ce qui rendra les résultats d'extrapolation simples peu fiables. Cependant, les travaux de recherche actuels partent principalement des besoins réels des applications d'ingénierie, en se concentrant sur les propriétés mécaniques (telles que la résistance, la dureté, la déformation permanente par compression, la relaxation sous contrainte, le taux de récupération élastique, etc.), concernant le mécanisme de vieillissement du caoutchouc dans différentes conditions. . La recherche est rarement impliquée, ce qui signifie que la prévision de la vie utilise toujours la méthode de vieillissement thermique accéléré à l’oxygène. Il existe des lacunes considérables dans la recherche sur l'impact des conditions complexes de température et d'humidité, des effets de contrainte, des effets de milieu, etc. dans l'environnement du caoutchouc.
Au cours du processus d'oxydation thermique, le caoutchouc générera divers produits d'oxydation, qui sont évidemment répartis dans le sens de l'épaisseur du produit, et sa densité de réticulation changera également. Après avoir mené des recherches approfondies sur le comportement et le mécanisme de vieillissement thermique de l'oxygène du NBR dans l'air et l'huile lubrifiante, l'auteur a découvert que le processus de vieillissement du NBR dans l'air peut être divisé en trois étapes. La première étape est principalement la migration des additifs (plastifiants, antioxydants…). Dans la deuxième étape, la réaction d'oxydation et la réaction de réticulation dominent, se manifestant par une augmentation du degré de réticulation et de la dureté, tandis que le taux de récupération élastique diminue. Au cours de la troisième étape du vieillissement par oxydation thermique tardive, une oxydation sévère peut même provoquer la rupture des chaînes moléculaires. Cependant, à l’heure actuelle, l’élasticité du NBR a presque complètement été perdue et il ne peut pas être utilisé comme matériau d’étanchéité. Dans ce processus, la modification de la teneur en antioxydants est un indicateur très important. Lorsque son contenu chute à une valeur critique, le taux de récupération élastique chutera fortement et la dureté augmentera fortement, lui faisant perdre ses performances. Lorsque le NBR est vieilli thermiquement dans l'huile lubrifiante, tout d'abord, en raison de la diffusion de l'huile lubrifiante dans le caoutchouc, le caoutchouc peut conserver de bonnes propriétés de résilience pendant une longue période. Deuxièmement, bien que l’huile lubrifiante entrave dans une certaine mesure la diffusion de l’oxygène, le degré d’oxydation de l’huile est plus élevé en raison de la mobilité accrue des chaînes moléculaires du caoutchouc. Si le même type d’huile a des viscosités différentes, le degré d’oxydation de l’huile à faible viscosité sera plus élevé que celui de l’huile à haute viscosité. Troisièmement, l’effet d’extraction de l’huile lubrifiante sur les additifs accélère la vitesse de migration des additifs dans le caoutchouc.
Lorsqu’il est utilisé comme matériau d’étanchéité, le caoutchouc est soumis à des contraintes et se détend avec le temps. Gillen et coll. du laboratoire national Sandia a étudié le comportement de relaxation des contraintes du caoutchouc butyle avec une certaine déformation à différentes températures et a constaté que le taux de relaxation des contraintes était considérablement accéléré dans des conditions de contrainte.
Lorsque des matériaux d'étanchéité en caoutchouc sont utilisés dans des situations d'étanchéité et de lubrification dynamiques, les propriétés de friction et d'usure du caoutchouc doivent être prises en compte. Le coefficient de frottement du caoutchouc est la contribution conjointe du liquide, de l’adhérence et de la déformation. L'adhésion est une connexion et une destruction au niveau moléculaire et diminue avec le module élastique, fonction de la viscoélasticité. Le frottement hystérétique du caoutchouc est un processus consommateur d'énergie, accompagné d'un amortissement interne, mais augmente à mesure que le module élastique diminue. L'usure est un dommage localisé, résultat de la rupture du réseau réticulé en molécules plus petites. S'il s'agit d'une surface tranchante, l'usure entraînera une rupture par traction ; s'il s'agit d'une surface émoussée, cela entraînera une rupture par fatigue. Différents fluides pétroliers ont des effets différents sur les propriétés de friction et d’usure du caoutchouc. Par exemple, l’huile de base ester dégrade les propriétés mécaniques du NBR plus sérieusement que l’huile minérale et l’huile synthétique polyoléfinique (PAO).