노화 및 열 순환의 효과는 폴리머의 골절의

폴리머 내구성의 Fracture Toughness의 중요성

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폴리머의 노화의 메커니즘

노화는 환경 노출에 의해 방아쇠를 당기는 중합체 구조 및 재산에 있는 모든 시간 의존한 변화를 우회합니다. 이 변화는 육체 및 화학 통로를 통해서, 각 영향을 미치게 합니다 골절 단단함 다르게.

물리 노화

폴리머 체인의 느린 휴식에서 발생 하는 물리적 노화 방지 유리 전환 온도 (T_g) 아래 열역학 평형을 향해 폴리머 체인의 느린 휴식. 무료 볼륨 감소로, 재료는 더 흉한, 더 촉감. 이 densification은 분자 이동성 제약 때문에 균열 시작에 필요한 에너지를 감소. 폴리 카보네이트 또는 PMMA와 같은 형태 폴리머, 물리적 노화 방지는 20-30 년 이상 지속될 수 있습니다._{]의 온도는 20-30 °C에서 20 %의 온도에서 20 %의 온도를 감소시킵니다.}

화학 시효

화학 노후화는 산소, 자외선 (UV) 방사선, 습기 및 기타 민감하는 종에 기인한 비할 수 있는 분자 교체를 포함합니다. 중요한 기계장치는 다음을 포함합니다:

Chain scission – 백본 채권의 파괴는, 더 짧은 사슬을 생성하는 분자 무게를 감소시키고, 빈약하게 그리고 모양 microvoids를 포장합니다. 이 직접 중요한 응력 강도 요인을 낮춥니다 (K[_]Ic]).
Crosslinking – 일부 폴리머(예: 횡단면)에서 더 횡단면도 증가 뻣뻣함도 증가하지만, 또한 재료에 적어 균열 팁보다 플라스틱 영역 크기를 줄입니다.
Oxidation – 산소는 탄소 그룹과 수소화물을 형성하는 열 또는 UV 노출에 의해 생성된 자유로운 급진기로 반응합니다. 이 극단 그룹은 간 분자 힘을 바꾸고 뇌하수체 골절을 승진시킵니다.
Hydrolysis – 폴리아미드와 폴리아미드는 특히 휴미드 환경에서 물 유도 백본 클루지에 취약합니다. 분자 무게의 결과 손실은 달 안에 골절 강성을 견딜 수 있습니다.

화학 시효의 전반적인 효과는 뇌관 행동에 연성이에서 이동됩니다. 예를 들어, 나이 든 폴리프로필렌은 가속된 UV 노출 테스트 동안 J-integral 값에 표시된 드롭을 보여줍니다. 엔지니어는 종종 ASTM D5045에서 기인한 견본의 평면 변형 경도와 탈준과 함께 노출 시간을 감소시키기 위해.

폴리머 불순에 열 순환 효과

열 순환은 열팽창식, 온도 윤활제 및 계수가 변화하기 때문에 내부 응력을 생성하는 열팽창식 및 냉각을 반복하는 중합체를 붙입니다. 이 응력은 주기에 축적되고 분쇄 강인성을 감소시키는 손상을 유도합니다.

열 응력의 근원

폴리머 구성 요소가 가열되면 열팽창 계수 (CTE)에 따라 볼륨 확장됩니다. 폴리머 및 기타 재료 (예 : 임베디드 섬유, 금속 인서트) 인장 및 압축 응력을 생산하는 CTE mismatches 사이의 불균형 가열 또는 CTE mismatches. 냉각 중에 역 응력이 발생합니다. 항공 우주 피부 패널 또는 전자 캡슐과 같은 급류 사이클은 재료의 항복 강도를 초과하는 응력을 생성 할 수 있으며 영구 변형 및 핵에 대한 선두 주자입니다.

Microcrack 형성 및 전파

각 열 주기는 충전물 입자, voids, 또는 분자 가늠자 이질과 같은 응력 농축물에 새로운 microcracks를 시작될 수 있습니다. 많은 주기 (열 피로)에, 이 microcracks 연결은, 서비스 짐의 밑에 propagate를 형성하는. 분쇄 강인성은 물자의 효과적인 에너지 방출 비율이 손상되기 때문에 균열 조밀도 증가로 감소합니다. 에폭시 근거한 합성물에 실험 학문은, 온도에 따라서 500의 열 주기 후에, KLT에 의하여 +0 °C에 의하여, KLT에 따라서 더 많은 것, KLT에 따라서 섬유를 떨어질 수 있습니다. [0]에 따라, KLT에 따라서, KLT는 더 많은 것:

퀀텀 팅 팁

열 순환 효과에 대한 테스트 프로토콜은 종종 ]ASTM E1820 (절곡 강인성 표준 테스트 방법)] 사이클의 규정 된 수 후. 결과는 분쇄 강인성 대로 도형됩니다. 사이클 카운트는, microcrack 인구 포화로 플래타로 이어지는 초기 급속한 쇠퇴를 나타냅니다. 플래타 우 인성은 손상된 물질의 잔여 기능을 나타냅니다.

종합 노화 및 열 순환에서 신화적인 분해

폴리머가 노화와 열 순환을 동시에 노출 할 때, 분해는 혼자 각 효과의 합보다 종종 악화됩니다. 이 시너지는 화학 및 물리적 메커니즘 사이의 인터플레이에서 발생합니다.

상호 작용 메커니즘

화학 노후화는 마이크로크랙, 엠리언트 표면 층 및 약화 된 분자 세그먼트의 네트워크를 만듭니다. 이러한 결함은 열 응력 농도에 대한 선호도적 인 사이트 역할을합니다. 열 순환 도중, 핵 및 전파가 더 쉽게 노화 된 물질을 통해 중요한 응력 강도가 이미 감소되어 있기 때문에 더 쉽게 나타납니다. 따라서 열 순환은 산소와 습기에 신선한 표면을 폭발하여 화학 노후화를 가속화 할 수 있으며 산화 및 수소를 가속화합니다. 결과는 50 % 또는 60 %의 수명주기에 비해 수명주기가 단축 될 수 있습니다.

실험적 증거

폴리아미드 6,6에 대한 연구에서 1000 시간 동안 120°C에 나이 들고 -20 °C에서 + 80 °C까지 100 열주기에 따라 골절 강인성은 0.8 MPa·m^1/2] 2.4 MPa·m^1/2 처녀 물질에 대한 하락했습니다. 필립 폴리 메틸 methacrylate를 가진 분리 된 실험은 이러한 단일 테스트 요인에 따라 결정되지 않는 영향을 줄 수 있었습니다. 이러한 단일 테스트는 이러한 영향을 줄 수 없는 영향을 줄 수 있었습니다.

엔지니어 및 디자이너를위한 실용적인 응용

노화 및 열 순환의 밑에 분쇄 강인성의 degradation는 믿을 수 있는 제품 디자인을 위해 근본적입니다. 몇몇 전략은 이 효력을 완화할 수 있습니다.

물자 선택 Guidelines

높은 T_g과 강한 간 분자의 힘(예: polyetherimide, PEEK)은 물리적 노화와 열 응력을 견딜 수 있도록 합니다. 넓은 온도 스윙, 틈에 낮은 CTE 및 높은 신장과 관련된 응용 분야에 대해서는 선호합니다. 폴리 페닐렌 황화물 (PPS)과 같은 반결정 폴리머는 열 순환 아래 인성을 유지할 수 있습니다. 결정성 (40-50 %) 및 강도에 최적화되어 있습니다.

안정제 및 첨가제

첨가제는 골절 강인성에 중요한 역할을합니다.

Antioxidants – Hindered 페놀 화합물 지연 산화 체인 scission.
UV 안정제 – 벤조펜론 및 힌트 아민 광 안정제(HALS) 화면 또는 quench UV 방사선, 사진 산화를 줄이기.
Fillers and hardeners – Elastomeric 입자 또는 나노 silica는 microcracks를 체포하고 노화 후도 강성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나, 필러는 열 순환 손상을 악화시키는 CTE mismatches를 방지하기 위해 선택되어야한다.

시험 및 감시

열 순환 프로파일과 결합 된 ASTM F1980은 열 순환 프로파일을 측정 할 수 있습니다. 엔지니어는 [FLT : 0]] ASTM D6068 (J ‐ R 곡선) [[[FLT : 1]]와 같은 표준 방법을 사용하여 여러 노출 간격에서 골절 강성을 측정해야합니다. 비 파괴적인 모니터링을 위해, 음향 방출은 열 순환 중에 실시간으로 균열 개시를 감지 할 수 있습니다.