ポリマーの破壊靭性に対する老化と熱循環の影響

ポリマー耐久性の破壊靭性の重要性

破壊靭性は、自動車、大気および宇宙空間、医療機器、および消費者の商品の構造部品にとって重要な特性、割れた伝搬に対するポリマーの抵抗を定量化します。製品の寿命を延ばす、ポリマーは、この抵抗を劣化させる環境のストレスを耐えます。最も影響力のあるストレスの2つは、老化および繰り返された熱循環を延長しています。これらのプロセスを個別に理解し、骨折の靭性を収集することで、エンジニアが適切な材料、設計、堅牢なコンポーネント、および寿命を予測できるようになり、より大きな寿命を予測することができます。

ポリマーの老化のメカニズム

老化は、環境の暴露によって誘発されるポリマー構造および特性のすべての時間依存の変化を伴います。これらの変化は、物理的および化学的経路によって発生し、それぞれが破壊靭性に異なり影響を与えます。

物理エイジング

物理的な老化は、ガラス転移温度(T_{])の下の熱力学的平衡に対するポリマー鎖の遅い弛緩から生じる。自由量が減少すると、材料は、より脆性になり、より脆性になる。この結露は、分子の運動が禁忌であるので、亀裂の開始に必要なエネルギーを削減する。ポリマーまたはPMMAなどの形態ポリマーについては、材料は、硬化するが、温度が最も高い:[FLTF] と、温度が最も厳しい: [FLTF] 温度を加熱する。 [FLTF] は、温度が、温度が最も厳しい: [F] 温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、温度が、湿度が、温度が、温度が、}

化学老化

化学老化は、酸素、紫外線(UV)放射線、湿気、その他の反応性種によって引き起こされる不可逆性分子変化を含みます。主なメカニズムは次のとおりです。

[チェーン・シジョン] – バックボーン・ボンドのブレイクは、分子量を削減し、不十分なパックとマイクロ・イボを形成する短いチェーンを作成します。これは、直接、重要なストレス強度係数(K[_{)を下げます。}
]Crosslinking - いくつかのポリマー(例えば、交差リンクされたエポキシ)でさらに、クロスリンクが高剛性が増加するが、また材料を乳化し、亀裂先端の先のプラスチックゾーンサイズを削減します。
Oxidation] - 酸素は、熱または紫外線露出によって生成されたフリーラジカルと反応し、カルボイルグループと過酸化物を形成します。これらの極グループは、間分子力を交換し、脆性の骨折を促進します。
流体分解 - ポリエステルおよびポリアミドは、特に湿った環境で、水誘発されたバックボーンの切開に敏感です。分子量の結果として生じる損失は、数か月以内に骨折の靭性を捕捉することができます。

化学老化の全体的な効果は、ダクタイルから脆弱な動作へのシフトです。例えば、高齢者ポリプロピレンは加速された紫外線曝露試験中にJインテグラ値のマークされた低下を示しています。エンジニアは、多くの場合、[]]ASTM D5045[に頼りに、高齢者標本の航空機のひずみの靭性を測定し、劣化による暴露時間を相関する。

ポリマー整合性に対する熱循環効果

熱循環は熱膨張の異方性、温度の勾配および弾性変化による内部応力を発生させる繰り返された熱および冷却にポリマーを被せます。これらの圧力は周期の上に蓄積し、靭性を低下させる損傷を引き起こします。

熱構造の起源

ポリマーコンポーネントが加熱されると、そのボリュームは熱膨張係数(CTE)に従って拡大します。ポリマーと他の材料(例えば、埋め込まれた繊維、金属インサート)の間の無浸透加熱またはCTEの不一致は、抗張および圧縮応力を生み出します。冷却中、冷却中、急速なサイクリング、航空宇宙皮膚パネルや電子カプセル剤など、材料の降伏強さを上回るストレスを生成し、変形およびマイクロ核変異につながります。

マイクロラックの形成と伝搬

各熱サイクルは、フィラー粒子、イボ、または分子量異質のようなストレスコンセントレイターで新しいマイクロクラックを開始することができます。より多くのサイクル(熱疲労)、これらのマイクロクラックが一緒にリンクし、サービス負荷下を促進するマクロクラックを形成します。フラクチャの靭性は、材料の効果的なエネルギー放出率が妥協されるため、割れた密度が増加するにつれて減少します。エポキシベースのコンポジットに関する実験的な研究は、500〜50°C以上の樹脂が低下することを意味します。 [F]

定量化靭性低減

熱循環効果のためのテストプロトコルは、多くの場合、]に従う[FLT:ASTM E1820(骨折靭性のための標準的なテスト方法)]]を所定のサイクル数後に続きます。結果は、骨折靭性対サイクル数としてプロットされ、マイクロひびの人口飽和剤としてプラトーが続く初期の急速な低下を明らかにします。プラトー靭性は、損傷した材料の残留能力を表します。

複合型老化と熱循環による相乗的劣化

ポリマーが同時に老化および熱循環に露出されるとき、各効果の合計より頻繁に悪化します。この相乗効果は化学および物理的なメカニズム間の相互作用から生じる。

相互作用のメカニズム

化学老化は、マイクロクラック、エブリルド表面層、および弱体分子セグメントのネットワークを作成します。これらの欠陥は、熱応力集中のための優先サイトとして機能します。熱循環中、核酸をクラックし、重要なストレス強度が既に減少しているため、高齢者材料を介してより簡単に伝播します。逆に、熱循環は、酸素と水分に新鮮な表面を露出することにより、化学老化を加速することができ、それによって、酸化と加水分解をスピードアップします。結果は、正のループは、成分だけを低減するか、50〜80%を増加させることができるか、または寿命を削減することができます。

実験的証拠

ポリアミド6,6で1000時間120°Cで老化し、-20°Cから+80°Cまでの100熱サイクルを被った研究では、フラクチャー靭性が0.8MPaに低下しました。^1/2]])2.4 MPa・m^1/2 バージン材料の。充填されていないポリメチルメタクリレートと別の実験は、J-relevtの比較対象外となると、J-relevtの比較対象外となる。これらは、J-refltの比較対象外となる。

エンジニアやデザイナーのための実用的なインプリケーション

老化および熱循環の下の骨粗さの低下を理解することは信頼できるプロダクト設計のために必要です。複数の作戦はこれらの効果を緩和できます。

素材選定ガイドライン

高T[_g]と強い間分子力(例えば、ポリエーテルイミド、PEEK)のポリマーは、物理的老化と熱応力を強く抵抗します。広範囲の温度のスイングを伴うアプリケーションのために、低CTEと高伸縮率の低分子が好まれます。ポリフェニレンスルフィド(PPS)のような半結晶ポリマーは、結晶性が最大で、耐荷重が40〜50%、バランスが向上している場合は、熱サイクル中の靭性を保持することができます。

安定装置および添加物

増殖剤は、骨折の靭性を維持する際に重要な役割を果たします。

酸化防止剤 – 強化フェノール化合物の遅延酸化チェーンのシジョン.
UVスタビライザー - ベンゾフェノンとハインドアミンライトスタビライザー(HALS)画面またはUV放射線を焼く、光酸化を減らします。
[フィラーとタフナー - エラストマー粒子またはナノシリカは、老化後も微小ラックを防止し、靭性を高めることができます。しかし、フィラーは、熱循環損傷を悪化させるCTEの不一致を避けるために選ばれなければなりません。

検査・監視

加速老化試験(例、医療機器包装用ASTM F1980)と熱循環プロファイルを組み合わせることで、耐用年数を推定することができます。エンジニアは、標準の方法で「]]などの複数の露光間隔で骨折靭性を測定する必要があります。ASTM D6068(ポリマー用J-R曲線)。非破壊監視では、熱循環中にリアルタイムでアコースティックエミッションが亀裂を検知できます。

コンテンツ

老化および熱循環は、それぞれ異なった分子およびmicromechanicalメカニズムによってポリマーのひびの靭性を減らします。結合されるとき、それらの効果は、頻繁に前方失敗に導く増幅します。強いポリマーを選ぶことによって、適切な安定装置を組み込み、厳密な結合された環境テストを、エンジニアはポリマー部品の安全そして長寿を改善できます。ナノコンポジットおよび自己healingポリマーへの調査を経れば、これらの決定は改善の基本的な道の維持を、維持します。これらの基礎は、これらの決定の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の維持の

追加の読み方については、ポリマー老化機構のRSC Advancesや]などのAuthoritative Sourceを参照してください。