Значення затолочення в полімерній довговічності

Зміцнення тріщини проникненість проникненість полімеру до тріщини поширення, критичне майно для структурних компонентів в автомобільній, аерокосмічної, медичній техніці та споживчих товарів. За життя продукту полімери витримають екологічні стресори, які деградують цей опір. Два найвпливовіших стресорів тривалі старіння та повторне термічне вело. Розуміння, як ці процеси індивідуально та колгоспно знижують жорсткість перелому дозволяє інженерам вибрати відповідні матеріали, розробити надійні компоненти та прогноз термін служби з більшою точністю.

Механізми старіння в полімерах

У разі виникнення всіх часових змін в структурі полімерів та властивостей, що запускається впливу на навколишнє середовище. Ці зміни відбуваються через фізичні та хімічні шляхи, кожен впливає на міцність перелому, різним чином.

Фізична зйомка

Фізична старіння виникає з повільного релаксу полімерних ланцюгів до термодинамічної рівноваги нижче температури переходу скла (Tg). Як вільний обсяг знижується, матеріал заперечує, стає більш ламким. Цей дендсифікація знижує енергію, необхідну для початкування тріщин, оскільки молекулярна мобільність обмежена. Для аморфних полімерів, таких як полікарбонат або PMMA, фізичне старіння може зменшити жорсткість переломів на 20-40% протягом декількох років, залежно від температури зберігання і часу. Явище є реверсивним шляхом нагрівання над Tg[F3:2]

Хімічна Агенція

Хімічне старіння передбачає незворотні молекулярні зміни, викликані киснем, ультрафіолетовим випромінюванням, вологою та іншими реактивними видами. Ключові механізми включають:

  • Chain scission] – Перервування облігацій задніх скорочень зменшує молекулярну вагу, створюючи пісочні ланцюги, які упаковують погано і утворюють мікроводи. Це безпосередньо знижує фактор критичної інтенсивності напруги (K]Ic]).
  • Crosslinking] – У деяких полімерах (наприклад, перехресні епоксиди) подальше перехреслення збільшує жорсткість, але також розбурює матеріал, зменшуючи розмір пластикової зони попереду тріщини.
  • Оксідація] – Кисневі реагує з вільними радикалями, що створюються тепловою або ультрафіолетовою екстензією, формування вуглецевих груп та гідропероксидів. Ці полярні групи змінюють внутрішньоолекулярні сили та сприяють перелому ламки.
  • Hydrolysis] – Поліестери та поліаміди схильні до водо-індукованої лобової драбини, особливо в вологих середовищах. Отримана втрата молекулярної маси може зануритися у важкість перелому протягом місяця.

Загальний ефект хімічної старіння – це зсув від протоки до крихкої поведінки. Наприклад, витриманий поліпропілен показує помітну краплі в J-інтегоральних значеннях при прискорених випробуваннях впливу УФ. Інженери часто спираються на ASTM D5045 для вимірювання жорсткості переломів площини витриманих зразків і коререлатації часу впливу з деградацією.

Термо Велоспорт впливу на доброчесність полімерів

Теплова велопрокатна полімерна для багаторазового нагрівання та охолодження, що генерує внутрішні напруження через терморозширювальну анізотропію, температурні градієнти та зміни модулялів. Ці напруження накопичуються на циклах і викликають пошкодження, що знижує міцність перелому.

Походження теплових напружень

При нагріванні полімерної компоненти, її обсяг розширюється за коефіцієнтом теплового розширення (CTE). Неоднорідне опалення або CTE невідповідні між полімером та іншими матеріалами (наприклад, вбудованими волокнами, металевими вставками) виробляють напругу і компресорні напруження. Під час охолодження відбуваються зворотні напруження. Швидкий велоспорт, такі як в аерокосмічних шкірних панелях або електронних енкопсулянках, може генерувати стреси, що перевищують міцність виходу матеріалу, що призводить до постійної деформації і мікроводної нуклеації.

Мікрокробне формування та пропагація

Кожен тепловий цикл може ініціювати нові мікрокраки на концентраторах стресу, як частинки наповнювача, пооїди, або молекулярно-масштабні гетерогенні властивості. За багато циклів (термальна втома), ці мікрокраки зв'язуються разом, формуючи макрокраки, які пропагують під навантаженнями на послуги. Зростання жорсткості перелому зменшується, оскільки ефективність виходу матеріалу порушується. Експериментальні дослідження на epoxy-на основі композитів показують, що після 500 теплових циклів між -40 ° C і +80 ° C, KIc може знизитися на 30% або більше, залежно від сильної резинні волокна смоли.

Перевірка зменшення затолочіння

Протоколи випробувань теплових велосипедних ефектів часто слідують ASTM E1820 (стандартний метод тестування для жорсткості переломів)] після призначеного ряду циклів. Результати приводяться в міру застій перелому проти. підрахунку циклу, виявлення початкового швидкого зниження, що слідує пластиноподібним мікрокробним населенням. Твердість пластини являє собою залишкову можливість пошкодженого матеріалу.

Синергетична деградація з комбінованого старіння та теплового велосипеда

При порушенні полімерів як старіння, так і теплові велосипеди одночасно, деградація часто гірше, ніж сума кожного ефекту. Ця синергія виникає з переплетення хімічних і фізичних механізмів.

Механізми взаємодії

Хімічне старіння створює мережу мікрокраків, розбурених поверхневих шарів, ослаблених молекулярних сегментів. Ці дефекти служать кращими місцями для концентрації теплових стресів. Під час термічного велосипеда тріщини нуклеюють і пропагують легше через витриманий матеріал, оскільки критична інтенсивність напруженості вже знижується. Поперечно, теплова велосипеда може прискорити хімічне старіння шляхом вигнання свіжих поверхонь до кисню і вологи, таким чином, прискорити окислення і гідроліз. Результатом є позитивна шкалик зворотного зв'язку, яка може скорочувати термін служби компонента на 50–80% порівняно з старінням або велосипедом.

Експериментальне дослідження

У дослідженні на поліаміді 6,6 витриманий при 120 ° C за 1000 годин, а потім піддається 100 теплових циклів від -20 °C до +80 ° C, жорсткість руйнування скидається до 0,8 МПа · м1/2] versus 2.4 МПа ·м1/2 для незаймана матеріалу. Окремий експеримент з ненаповненими поліметилметакрилат показав комбінований вплив, зменшений критичний J-інтегральний на 70% відносно невипропонованих контрольів. Ці результати зазначанням, а не єдиними факторами, ніж однозначні комбіновані комбіновані комбіновані комбіновані об'єдні об'єднувачі.

Практичні наслідки для інженерів та дизайнерів

Розуміння деградації жорсткості перелому під час старіння та теплового велосипеда є важливим для надійного дизайну продукту. Кілька стратегій можуть пом'якшити ці ефекти.

Керівництво по вибору матеріалів

Полімери з високими Tg і міцними нескінченнолекулярними силами (наприклад, поліетеримід, PEEK) властиво проти фізичного старіння і теплового стресу. Для застосування, що включають широкі температурні гойдалки, аморфні полімери з низьким CTE і високою подовженням при розриві. Симтриллові полімери, як поліфенілен сульфід (PPS) можуть зберігати жорсткість під час велосипедної їзді, якщо кристалічність оптимізована (40–50%) для балансу жорсткості і протоки.

Стабілізатори та добавки

Добавки відіграють критичну роль при збереженні жорсткості перелому:

  • Antioxidants – Виброхвостий феноліч сполук, що затримують окислювальний ланцюг.
  • UV стабілізатори] – Бензофенони та хижаки авмінні світло стабілізатори (HALS) екран або кеч УФ випромінювання, зменшення фотоокислення.
  • Фільєрс і загартувачі] – Еласомірні частинки або нано‐силіка може затримати мікрокраки і підвищити міцність навіть після старіння. Однак наповнювачі повинні бути обрані, щоб уникнути міток CTE, які погіршують теплову велотуризм.

Тестування та моніторинг

Прискорені старіння тестів (наприклад, ASTM F1980 для упаковки медичного пристрою) поєднані з термопрофільними профілями можуть оцінити термін служби. Інженери повинні вимірювати міцність перелому при декількох інтервалах впливу за допомогою стандартних методів, таких як ASTM D6068 (J‐R крива для полімерів). Для неруйнівного моніторингу акустична емісія може виявити ріпаку, що ініціюється в реальному часі під час теплового вело.

Висновок

У віці і тепловий велосипед індивідуально знижують жорсткість руйнування полімерів через різні молекулярні і мікромеханічні механізми. При поєднанні їх наслідки посилюють, нерідко призводять до передчасної збою. Вибравши міцні полімери, що закріплюють відповідні стабілізатори, а також проводять суворі комбіновані ‐environment тести, інженери можуть поліпшити безпеку і довговічність полімерних компонентів. Здійснюючи дослідження нанокомпозитів і самозбиральних полімерів обіцяє подальше вдосконалення, але тверде розуміння цих фундаментальних деградаційних шляхів залишається основою міцного дизайну.

Для додаткового читання див. інформацію про авторські джерела, такі як RSC Advances на полімерних механізмах та MatWeb база даних властивостей матеріалів .