पॉलिमर की फ्रैक्चर टफनेस पर एजिंग और थर्मल सायक्लिंग का प्रभाव

पॉलिमर स्थायित्व में फ्रैक्चर टौघनेस का महत्व

फ्रैक्चर बेरहमी एक बहुलक के प्रतिरोध को क्रैक प्रचार के लिए, मोटर वाहन, एयरोस्पेस, चिकित्सा उपकरणों और उपभोक्ता वस्तुओं में संरचनात्मक घटकों के लिए एक संपत्ति की आलोचनात्मक मानती है। एक उत्पाद के जीवन पर, बहुलक पर्यावरण तनाव को सहन करते हैं जो इस प्रतिरोध को कम करते हैं। सबसे प्रभावशाली तनावों में से दो लंबे समय तक उम्र बढ़ने और दोहराया थर्मल साइकिलिंग हैं। यह समझना कि ये व्यक्तिगत रूप से कैसे संसाधित होते हैं और सामूहिक रूप से फ्रैक्चर बेरहमी को कम करते हैं, इंजीनियरों को उपयुक्त सामग्री का चयन करने में सक्षम बनाता है, मजबूत घटकों को डिजाइन करता है, और अधिक सटीकता के साथ सेवा जीवनकाल की भविष्यवाणी करता है।

पॉलिमर में एजिंग के तंत्र

उम्र बढ़ने में बहुलक संरचना में सभी समय-निर्भर परिवर्तन शामिल हैं और पर्यावरणीय संपर्क द्वारा शुरू होने वाले गुण। ये परिवर्तन भौतिक और रासायनिक मार्गों के माध्यम से होते हैं, प्रत्येक फ्रैक्चर की कठोरता को अलग-अलग रूप से प्रभावित करते हैं।

भौतिक उम्र

भौतिक उम्र बढ़ने से ग्लास संक्रमण तापमान (T [FLT: 0]]g ] के नीचे थर्मोडायनामिक संतुलन की ओर बहुलक श्रृंखला की धीमी छूट से उत्पन्न होती है। जैसा कि मुफ्त मात्रा कम हो जाती है, सामग्री घनत्व, अधिक भंगुर हो जाती है। यह घनत्व क्रैक शुरू होने के लिए आवश्यक ऊर्जा को कम कर देता है क्योंकि आणविक गतिशीलता बाधित होती है। असंगत पॉलिमर जैसे पॉली कार्बोनेट या पीएमएमए के लिए, भौतिक उम्र बढ़ने के दौरान फ्रैक्चर की कठोरता को कई वर्षों से अधिक हो सकती है, जो भंडारण तापमान और समय के आधार पर। यह घटना टी _{]g [FLT: 3] के ऊपर हीटिंग द्वारा प्रतिवर्ती है।}

रासायनिक एजिंग

रासायनिक उम्र बढ़ने में ऑक्सीजन, पराबैंगनी (यूवी) विकिरण, नमी और अन्य प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के कारण होने वाली अपरिवर्तनीय आणविक परिवर्तन शामिल हैं।

]चेन स्किशन - रीढ़ की हड्डी के बंधनों को तोड़ना आणविक भार को कम कर देता है, छोटी श्रृंखला बनाती है जो खराब रूप से पैक करती है और माइक्रोवोइड बनाती है। यह सीधे गंभीर तनाव तीव्रता कारक (K _{]]]]] Ic [[FLT: 3]]]]]) को कम करता है।}
Crosslinking[ - कुछ पॉलिमर (जैसे, क्रॉसलिंक्ड epoxies) में आगे क्रॉसलिंकिंग कठोरता को बढ़ाता है लेकिन सामग्री को भी embrittles, प्लास्टिक क्षेत्र के आकार को एक दरार टिप से आगे कम करता है।
Oxidation - ऑक्सीजन गर्मी या यूवी एक्सपोजर द्वारा उत्पन्न मुक्त कणों के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिससे कार्बनिल समूह और हाइड्रोपोरॉक्साइड बन जाते हैं। ये ध्रुवीय समूह आंतरायिक बलों को बदल देते हैं और भंगुर फ्रैक्चर को बढ़ावा देते हैं।
]Hydrolysis - पॉलिएस्टर और polyamide पानी प्रेरित रीढ़ की हड्डी दरार के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, विशेष रूप से नम वातावरण में। आणविक भार में परिणामी नुकसान महीनों के भीतर फ्रैक्चर बेरहमी को हल कर सकते हैं।

रासायनिक उम्र बढ़ने का समग्र प्रभाव नमनीय से भंगुर व्यवहार में बदलाव है। उदाहरण के लिए, वृद्ध पॉलीप्रोपाइलीन त्वरित यूवी एक्सपोज़र परीक्षणों के दौरान जे-एकल मूल्यों में एक चिह्नित गिरावट दिखाता है। इंजीनियर अक्सर ASTM D5045 पर भरोसा करते हैं ताकि वृद्ध नमूनों की विमान-प्रशिक्षण फ्रैक्चर बेरहमी को मापने और गिरावट के साथ एक्सपोज़र समय को सुधारने के लिए।

पॉलिमर अखंडता पर थर्मल सायक्लिंग प्रभाव

थर्मल साइकलिंग विषय पॉलिमर को दोहराया हीटिंग और कूलिंग के लिए, थर्मल विस्तार anisotropy, तापमान ढाल और मापांक परिवर्तन के कारण आंतरिक तनाव पैदा करते हैं। ये तनाव चक्रों पर जमा होते हैं और उन क्षति को प्रेरित करते हैं जो फ्रैक्चर बेरहमी को कम करते हैं।

थर्मल तनाव की उत्पत्ति

जब एक बहुलक घटक गर्म हो जाता है, तो इसकी मात्रा थर्मल विस्तार (CTE) के गुणांक के अनुसार फैलती है। बहुलक और अन्य सामग्रियों (जैसे एम्बेडेड फाइबर, धातु आवेषण) के बीच इनोमेजेनियस हीटिंग या CTE का गलत विवरण तन्यता और संपीड़न तनाव पैदा करता है। ठंडा होने के दौरान, रिवर्स स्ट्रेस होते हैं। रैपिड साइकिलिंग, जैसे एयरोस्पेस त्वचा पैनल या इलेक्ट्रॉनिक एन्कैप्सुलेंट्स, सामग्री की उपज ताकत से अधिक तनाव उत्पन्न कर सकते हैं, जिससे स्थायी विरूपण और माइक्रोवाइड न्यूक्लेशन होता है।

माइक्रोक्रैक गठन और प्रचार

प्रत्येक थर्मल चक्र में तनाव संकेंद्रों जैसे भराव कणों, voids, या आणविक पैमाने विषमता पर नए microcracks की शुरूआत की जा सकती है। कई चक्रों (थर्मल थकान) से अधिक, ये माइक्रोक्रैक एक साथ जुड़े हुए हैं, जो मैक्रोक्रैक बनाते हैं जो सेवा भार के तहत प्रचारित होते हैं। फ्रैक्चर बेरहमी क्रैक घनत्व बढ़ने के रूप में कम हो जाती है क्योंकि सामग्री की प्रभावी ऊर्जा रिलीज दर समझौता हो जाती है। एपॉक्सी आधारित कंपोजिट पर प्रायोगिक अध्ययन से पता चलता है कि -40 डिग्री सेल्सियस और + 80 डिग्री सेल्सियस के बीच 500 थर्मल चक्रों के बाद, K _Ic] राल के सख्ती फाइबर पर निर्भर करता है।

कड़ापन में कमी को कम करने

थर्मल साइकलिंग प्रभाव के लिए परीक्षण प्रोटोकॉल अक्सर ASTM E1820 ( फ्रैक्चर बेरहमी के लिए मानक परीक्षण विधि) चक्र की निर्धारित संख्या के बाद। परिणाम फ्रैक्चर बेरहमी बनाम चक्र गिनती के रूप में साजिश की जाती है, एक प्रारंभिक तेजी से गिरावट का खुलासा करते हुए एक पठार के रूप में माइक्रोक्रैक आबादी संतृप्त हो जाता है। पठार की क्रूरता क्षतिग्रस्त सामग्री की अवशिष्ट क्षमता का प्रतिनिधित्व करती है।

संयुक्त एजिंग और थर्मल सायक्लिंग से सिनर्जिस्टिक गिरावट

जब पॉलिमर एक साथ उम्र बढ़ने और थर्मल साइकिल दोनों के संपर्क में आते हैं, तो गिरावट अक्सर अकेले प्रत्येक प्रभाव की तुलना में खराब होती है। यह तालमेल रासायनिक और भौतिक तंत्र के बीच अंतर से उत्पन्न होता है।

पारस्परिक क्रिया तंत्र

रासायनिक उम्र बढ़ने माइक्रोक्रैक, उत्सर्जित सतह परतों का एक नेटवर्क बनाता है, और आणविक खंडों को कमजोर करता है। ये दोष थर्मल तनाव एकाग्रता के लिए तरजीह साइटों के रूप में काम करते हैं। थर्मल साइकलिंग के दौरान, उम्र बढ़ने वाली सामग्री के माध्यम से आसानी से नाभिक और प्रचारित करते हैं क्योंकि महत्वपूर्ण तनाव तीव्रता पहले से ही कम हो जाती है। इसके विपरीत, थर्मल साइकलिंग ऑक्सीजन और नमी के लिए ताजा सतहों को उजागर करके रासायनिक उम्र बढ़ने में तेजी ला सकती है, जिससे ऑक्सीकरण और हाइड्रोलिसिस को तेज किया जा सकता है। परिणाम एक सकारात्मक प्रतिक्रिया लूप है जो अकेले उम्र बढ़ने या साइकिलिंग की तुलना में 50-80% तक घटक जीवनकाल को कम कर सकता है।

अनुभवजन्य साक्ष्य

1000 घंटे के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर 6,6 आयु वर्ग के एक अध्ययन में और फिर 120 डिग्री सेल्सियस से + 80 डिग्री सेल्सियस तक 100 थर्मल चक्रों के अधीन, फ्रैक्चर की बेरहमी 0.8 एमपीए · m ^1/2] बनाम 2.4 एमपीए · m ^{] / 2 [[FLT: 3]]] कुंवारी सामग्री के लिए। अनफिल्ड पॉलीमेथिल मेथाक्रिलेट के साथ एक अलग प्रयोग ने संयुक्त जोखिम को दिखाया कि अप्रत्याशित नियंत्रण के सापेक्ष 70% तक महत्वपूर्ण जे-एकल को कम कर दिया। ये निष्कर्ष एकल कारकों की तुलना में अनुप्रयोग-प्रासंगिक संयुक्त वातावरण के तहत परीक्षण के महत्व को रेखांकित करते हैं।}

इंजीनियर्स और डिजाइनरों के लिए व्यावहारिक प्रभाव

उम्र बढ़ने और थर्मल साइकिलिंग के तहत फ्रैक्चर क्रूरता के क्षरण को समझना विश्वसनीय उत्पाद डिजाइन के लिए आवश्यक है। कई रणनीतियों इन प्रभावों को कम कर सकते हैं।

सामग्री चयन दिशानिर्देश

उच्च T_g और मजबूत intermolecular बलों (जैसे, polyetherimide, PEEK) के साथ पॉलिमर शारीरिक उम्र बढ़ने और थर्मल तनाव का स्वाभाविक रूप से विरोध करते हैं। विस्तृत तापमान झूलों से जुड़े अनुप्रयोगों के लिए, कम CTE के साथ असंगत बहुलक और ब्रेक पर उच्च बढ़ाव पसंदीदा हैं। पॉलीफेनिलीन सल्फाइड (PPS) जैसे सेमीक्रिस्टलाइन पॉलिमर थर्मल साइकिलिंग के तहत कठोरता को बनाए रख सकते हैं यदि क्रिस्टलीयता को कठोरता और लचीलापन को संतुलित करने के लिए अनुकूलित (40-50%) है।

स्टेबलाइजर्स और Additives

योजक फ्रैक्चर की क्रूरता को संरक्षित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं:

Antioxidants] – Hindered phenolic यौगिकों ऑक्सीडेटिव श्रृंखला scission देरी।
UV स्टेबलाइजर्स - बेंजोफेनोन और हिंदुस्तान अमाइन प्रकाश स्टेबलाइजर्स (HALS) स्क्रीन या शमन यूवी विकिरण, फोटो ऑक्सीकरण को कम करने।
]Fillers and tougheners[ – Elastomeric कणों या नैनो सिलिका microcrack को गिरफ्तार कर सकते हैं और भी उम्र बढ़ने के बाद भी क्रूरता को बढ़ा सकते हैं। हालांकि, fillers CTE mismatches कि थर्मल साइकिल चालन क्षति को खराब से बचने के लिए चुना जाना चाहिए।

परीक्षण और निगरानी

त्वरित उम्र बढ़ने परीक्षण (जैसे, चिकित्सा उपकरण पैकेजिंग के लिए एएसटीएम एफ 1 9 80) थर्मल साइकिलिंग प्रोफाइल के साथ संयुक्त सेवा जीवन का अनुमान लगा सकता है। इंजीनियरों को कई एक्सपोज़र अंतरालों पर फ्रैक्चर की कठोरता को मापना चाहिए, जैसे कि एएसटीएम डी 6068 (Polymers के लिए जे-आर वक्र) । गैर विनाशकारी निगरानी के लिए, ध्वनिक उत्सर्जन थर्मल साइकिलिंग के दौरान वास्तविक समय में क्रैक शुरू होने का पता लगा सकता है।

निष्कर्ष

उम्र बढ़ने और थर्मल साइकिल व्यक्तिगत रूप से अलग आणविक और सूक्ष्म तंत्र के माध्यम से पॉलिमर की फ्रैक्चर क्रूरता को कम करते हैं। जब संयुक्त हो जाता है, तो उनके प्रभाव में वृद्धि होती है, अक्सर समय से पहले विफलता होती है। मजबूत पॉलिमर का चयन करके, उचित स्टेबलाइजर्स को शामिल किया जाता है, और कठोर संयुक्त-पर्यावरण परीक्षण का संचालन किया जाता है, इंजीनियर बहुलक घटकों की सुरक्षा और दीर्घायु में सुधार कर सकते हैं। नैनोकॉम्पोसाइट्स और स्वयं-चिकित्सा पॉलिमर में अनुसंधान करने से आगे सुधार का वादा होता है, लेकिन इन मूलभूत गिरावट मार्गों की एक ठोस समझ टिकाऊ डिजाइन की नींव बनी रहती है।

अतिरिक्त पढ़ने के लिए, आधिकारिक स्रोतों जैसे कि ]RsC का उल्लेख बहुलक उम्र बढ़ने के तंत्र पर अग्रिम और MatWeb सामग्री संपत्ति डेटाबेस ]]]]।