نشانه گذاری سختی های Fracture در قابلیت پلیمر دور بودن

سخت بودن حرکتی مقاومت پلیمر را نسبت به انتشار کرک اندازه گیری می کند، یک ملک حیاتی برای اجزای ساختاری در خودرو، هوافضا، دستگاه های پزشکی و کالاهای مصرفی است.در طول زندگی محصول، پلیمر ها استرس های محیطی را تحمل می کنند که این مقاومت را کاهش می دهند. دو مورد از پرنفوذترین عوامل، پیری طولانی و تکرار دوچرخه سواری حرارتی هستند.

مکانیسم های پیری در پلیمرها

پیری شامل تمام تغییرات وابسته به زمان در ساختار پلیمر و خواص ناشی از قرار گرفتن در معرض محیط زیست است، این تغییرات از طریق مسیرهای فیزیکی و شیمیایی رخ می دهد، هر کدام به طور متفاوتی بر سختی شکستگی اثر می گذارند.

پیری فیزیکی

پیری فیزیکی ناشی از آرام شدن زنجیره های پلیمری نسبت به تعادل ترمودینامیکی پایین تر از دمای انتقال شیشه (TLT:0g است، زیرا حجم آزاد کاهش می یابد، مواد دان، تبدیل شدن به بیشتر گاز، به عنوان کاهش بیشتر حرارت فیزیکی، به عنوان کاهش می یابد.

پیری شیمیایی

پیری شیمیایی شامل تغییرات مولکولی برگشت ناپذیر ناشی از اکسیژن، اشعه ماوراء بنفش (UV)، رطوبت و سایر گونه های واکنش پذیر است.

  • - شکستن اوراق قرضه ستون فقرات کاهش وزن مولکولی، ایجاد زنجیره های کوتاه تر که ضعیف و میکروvoids تشکیل می دهند، این به طور مستقیم عامل شدت استرس بحرانی (K Ic را کاهش می دهد.
  • - در برخی از پلیمرها (به عنوان مثال، epoxs پیوند متقابل) اتصال بیشتر سفت و سخت افزایش می یابد، اما همچنین مواد را تحریک می کند، کاهش اندازه منطقه پلاستیکی پیش از نوک ترک.
  • [FLT 1] - اکسیژن با رادیکال های آزاد تولید شده توسط گرما یا UV واکنش می دهد، تشکیل گروه های کربنیل و هیدروپراکسیدها.
  • - پلی و پلی آمیدها مستعد تخریب ستون فقرات آب هستند، به ویژه در محیط های مرطوب.

اثر کلی پیری شیمیایی یک تغییر از مجاری به رفتار شکننده است. [برای مثال، پلی پروپیلن پیر نشان می دهد که افت قابل توجهی در مقادیر J-integral در طول تست های سریع نوردهی UV، مهندسان اغلب به ASTM D5045 [FLT 1] برای اندازه گیری سختی شکستگی نمونه های پیری و زمان در معرض آلودگی وابسته هستند.

اثرات دوچرخه سواری حرارتی بر روی یکپارچگی پلیمری

موضوعات دوچرخه سواری حرارتی پلیمر برای گرمایش و خنک سازی مکرر، ایجاد تنش های داخلی به دلیل گسترش حرارتی گسترش آنزوتروفیلی، گرادیان دما و تغییرات modulus تغییرات.این تنش ها بیش از چرخه ها تجمع می کنند و باعث آسیب می شوند که باعث کاهش سختی شکستگی می شود.

منشأ استرس های حرارتی

هنگامی که یک جزء پلیمری گرم می شود، حجم آن با توجه به ضریب گسترش حرارتی (CTE) گرمای داخلhomogened یا CTE ناسازگاری بین پلیمر و مواد دیگر گسترش می یابد (به عنوان مثال، الیاف جاسازی شده، وارد فلزی) باعث کشش و تنش های فشرده می شود.در طول خنک شدن، تنش های معکوس رخ می دهد.

Microcrackation و تبلیغات

هر چرخه حرارتی می تواند میکروککند های جدید را در هماهنگ کننده های استرس مانند ذرات پرکننده، حفره ها یا ناهمگنی های مقیاس مولکولی آغاز کند، در بسیاری از چرخه ها (خشکمال)، این میکروکترها با هم پیوند می یابند، تشکیل ماکروک های ماکرویی که تحت بارهای سرویس پخش می شوند، شدت شکستگی به عنوان چگالی ترک کاهش می یابد، زیرا میزان انتشار انرژی موثر مواد به خطر می افتد.

کاهش سختی

پروتکل های تست برای اثرات دوچرخه سواری حرارتی اغلب از ASTM E1820 (روش تست استاندارد برای سختی شکستگی) پس از تعدادی از چرخه های تجویز شده، نتایج به عنوان سخت بودن شکستگی در مقابل شمارش چرخه، آشکار کردن کاهش سریع اولیه پس از یک فلات به عنوان جمعیت میکروکوره شده است.

اختلال بین فردی از پیری ترکیبی و دوچرخه سواری حرارتی

هنگامی که پلیمرها در معرض هر دو پیر شدن و دوچرخه سواری حرارتی به طور همزمان قرار می گیرند، تخریب اغلب بدتر از مجموع هر اثر به تنهایی است.این هم افزایی از بین بردن بین مکانیزم های شیمیایی و فیزیکی ناشی می شود.

مکانیسم های تعامل

پیری شیمیایی یک شبکه از میکروککند ها، لایه های سطح متخلخل و بخش های مولکولی ضعیف ایجاد می کند.این نقص ها به عنوان سایت های ترجیحی برای تمرکز استرس حرارتی عمل می کنند.در طول دوچرخه سواری حرارتی، شکاف ها به راحتی از طریق مواد قدیمی منتشر می شوند، زیرا شدت استرس حیاتی در حال حاضر کاهش است، دوچرخه سواری حرارتی می تواند با قرار دادن سطوح تازه به اکسیژن و سرعت دوچرخه سواری، سرعت کاهش یابد و کاهش عمر، در مقایسه با 50٪ کاهش سرعت کاهش می یابد.

شواهد تجربی

در یک مطالعه در پلی آمی 66 ساله در 120 °C برای 1000 ساعت و سپس تحت 100 چرخه حرارتی از 20 درجه سانتیگراد به + 80 درجه سانتیگراد، سختی شکستگی به 0.8 {\displaystyle } {\displaystyle \"2} {\displaystyle \"2} کاهش یافته های غیر ضروری در معرض مواد مخدر.

مفاهیم عملی برای مهندسان و طراحان

درک تخریب سختی شکستگی در زیر پیری و دوچرخه سواری حرارتی برای طراحی محصول قابل اعتماد ضروری است. چندین استراتژی می تواند این اثرات را کاهش دهد.

دستورالعمل های انتخاب مواد

پلیمر با T بالا g و نیروهای قوی بین مولکولی (به عنوان مثال، Polyetherimide، PEEK) به طور ذاتی مقاومت در برابر پیری فیزیکی و استرس حرارتی است.برای برنامه های شامل نوسانات دمای گسترده، پلیمر های بی شکل با CTE پایین و بلند مدت در شکستن ترجیح می دهند.

· ثبات و افزودنی

افزودنی ها نقش مهمی در حفظ سختی های شکستگی ایفا می کنند:

  • آنتی اکسیدان ها - ترکیبات هیندر فنولیک زنجیره ای سیفوئید را به تاخیر می اندازد.
  • تثبیت کننده UV - بنزوفنون و مانع تثبیت کننده نورامین (HALS) یا تابش UV، کاهش نور عکس.
  • فیبررها و سخت کننده ها - ذرات Elastomeric یا نانو-silica می توانند میکروکتر ها را دستگیر کرده و حتی پس از پیری، سخت بودن را افزایش دهند.

تست و نظارت

تست های پیری شتاب یافته (به عنوان مثال ASTM F1980 برای بسته بندی دستگاه های پزشکی) همراه با پروفایل های دوچرخه سواری حرارتی می تواند زندگی خدمات را تخمین بزند. مهندسین باید سختی شکستگی را در فواصل متعدد قرار گرفتن با استفاده از روش های استاندارد مانند ] ASTM D60 68 ( منحنی جی آر آر برای پلیمرها) اندازه گیری کنند. برای نظارت غیر مخرب، تشخیص انتشار صدا در طول دوچرخه سواری واقعی.

نتیجه گیری

پیری و دوچرخه سواری حرارتی به طور جداگانه سختی شکستگی پلیمرها را از طریق مکانیسم های مولکولی و میکرومکانیکی متمایز کاهش می دهد، هنگامی که ترکیب، اثرات آنها تقویت می شود، اغلب منجر به شکست زودرس می شود.با انتخاب پلیمرهای قوی، ترکیب تثبیت کننده های مناسب، و انجام آزمایش دقیق محیط زیست، مهندسان می توانند ایمنی و طول عمر اجزای پلیمر را بهبود بخشد.

برای خواندن بیشتر، به منابع معتبر مانند پیشرفت در مکانیسم های پیری پلیمر و پایگاه داده اموال مواد غذایی ماتوب مراجعه کنید.