पॉलिमर सामग्री की उम्र बढ़ने की विफलता और जीवन की भविष्यवाणी

पॉलिमर सामग्रियों की उम्र बढ़ने की विफलता और जीवन भविष्यवाणी
भंडारण और उपयोग के दौरान, पॉलिमर सामग्री विभिन्न पर्यावरणीय कारकों (जैसे पराबैंगनी प्रकाश, गर्मी, आर्द्रता, ओजोन, सूक्ष्मजीव, आदि) और काम करने की स्थिति (जैसे तनाव, विद्युत क्षेत्र, चुंबकीय क्षेत्र, मीडिया, आदि) से प्रभावित होगी। फोटोऑक्सीजन क्षरण, थर्मल क्षरण, रासायनिक क्षरण, जैविक क्षरण, आदि, विनाश तक विभिन्न गुणों की क्रमिक गिरावट का कारण बनते हैं। इसलिए, पॉलिमर सामग्रियों की उम्र बढ़ने की विफलता तंत्र और जीवन भविष्यवाणी का अध्ययन करना बहुत महत्वपूर्ण है। उदाहरण के तौर पर रबर सीलिंग सामग्रियों को लेते हुए, इससे बने उत्पाद, जैसे गास्केट, ओ-रिंग, कप, तेल सील, वाल्व इत्यादि, अक्सर यांत्रिक उपकरणों में प्रमुख पदों पर होते हैं, और साथ ही अक्सर कमजोर होते हैं घटकों या असेंबलियों के लिंक. यदि यह अपनी सीलिंग क्षमता खो देता है, तो इसे अलग करके प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए, अन्यथा पूरा उत्पाद खराब हो सकता है।
रबर की उम्र बढ़ने का सार रबर आणविक श्रृंखलाओं का क्रॉस-लिंकिंग या टूटना है, जो ज्यादातर एक ऑटोकैटलिटिक ऑक्सीकरण तंत्र है। रबर कच्चे रबर का प्रकार और संरचना काफी हद तक उत्पाद की उम्र बढ़ने की स्थिरता को निर्धारित करती है। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन रबर और फ्लोरीन रबर का ताप प्रतिरोध नाइट्राइल ब्यूटाडीन रबर (एनबीआर) की तुलना में बेहतर है; हाइड्रोजनीकृत नाइट्राइल ब्यूटाडीन रबर (HNBR) का ताप प्रतिरोध जितना अधिक होगा, तापीय स्थिरता उतनी ही बेहतर होगी; जैसे-जैसे एक्रिलोनिट्राइल (एएन) सामग्री बढ़ती है, एनबीआर का तेल प्रतिरोध और उम्र बढ़ने का प्रतिरोध बढ़ता है, लेकिन साथ ही इसके सीलिंग प्रदर्शन और कम तापमान प्रतिरोध में कमी आती है। रबर वल्कनीकरण प्रणाली, स्थिरीकरण प्रणाली, भराव और प्लास्टिसाइज़र सभी मैट्रिक्स की उम्र बढ़ने के गुणों को प्रभावित करेंगे। सिलिकॉन रबर या पॉलीयुरेथेन रबर के लिए जो आसानी से हाइड्रोलाइज्ड हो जाता है या जिसमें कुछ हाइड्रोफिलिसिटी होती है, नमी इसकी उम्र बढ़ने में तेजी लाएगी। उपयोग के दौरान, रबर सीलिंग सामग्री को अक्सर एक निश्चित मात्रा में विरूपण का सामना करना पड़ता है और तेल मीडिया के संपर्क में आना पड़ता है। यह सामग्री की उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को न केवल थर्मो-ऑक्सीडेटिव गिरावट प्रक्रिया बनाता है, बल्कि तेल मीडिया और तनाव का प्रभाव भी बनाता है।
रबर के जीवन का मूल्यांकन आमतौर पर एक त्वरित थर्मल ऑक्सीजन उम्र बढ़ने परीक्षण के माध्यम से किया जाता है, यानी, एक त्वरित उम्र बढ़ने का परीक्षण उच्च तापमान पर किया जाता है, और अरहेनियस सूत्र का उपयोग करके माप परिणामों को उपयोग (सेवा) तापमान पर एक्सट्रपलेशन करके जीवन की भविष्यवाणी की जाती है। . इसके लिए आवश्यक है कि गिरावट की ओर ले जाने वाला तंत्र जांच के तहत तापमान सीमा के भीतर न बदले। ज्यादातर मामलों में, अरहेनियस विधि लागू साबित हुई है, लेकिन कई शोधकर्ताओं ने बताया है कि रबर उम्र बढ़ने का गैर-अरहेनियस व्यवहार पूरी तरह से लागू नहीं है। उदाहरण के लिए, जब बर्नस्टीन एट अल। फ्लोरोसिलिकॉन की त्वरित उम्र बढ़ने का अध्ययन करते हुए, उन्होंने पाया कि इसके संपीड़न तनाव विश्राम व्यवहार का अरहेनियस वक्र 80 डिग्री पर विचलित हो गया, जिससे उच्च तापमान और निम्न तापमान खंड दो सक्रियण ऊर्जा (73kJ·mol{5}} और 29kJ दिखाते हैं। ·मोल-1). निम्न-तापमान अनुभाग सक्रियण ऊर्जा से गणना की गई, 50% प्रदर्शन हानि के अनुरूप जीवन 17 वर्ष है, जबकि उच्च-तापमान अनुभाग सक्रियण ऊर्जा से सीधे निकाला गया जीवन काल 900 वर्ष तक है। जिआयु टेस्टिंग नेटवर्क द्वारा संपादन, संपादन और पुनर्मुद्रण में स्रोत का उल्लेख होना चाहिए। इतना बड़ा अंतर इंगित करता है कि वास्तविक उम्र बढ़ने की स्थिति त्वरित उम्र बढ़ने से भिन्न होती है, जिसके परिणामस्वरूप उम्र बढ़ने के तंत्र में परिवर्तन होता है, या विभिन्न तापमान सीमाओं में उम्र बढ़ने के तंत्र में परिवर्तन होता है, जो सरल एक्सट्रपलेशन परिणामों को अविश्वसनीय बना देगा। हालाँकि, वर्तमान शोध कार्य ज्यादातर इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों की वास्तविक जरूरतों से शुरू होता है, जो विभिन्न परिस्थितियों में रबर की उम्र बढ़ने की प्रक्रिया के संबंध में यांत्रिक गुणों (जैसे ताकत, कठोरता, संपीड़न स्थायी विरूपण, तनाव विश्राम, लोचदार पुनर्प्राप्ति दर, आदि) पर ध्यान केंद्रित करता है। . अनुसंधान शायद ही कभी शामिल होता है, जिसका अर्थ है कि जीवन की भविष्यवाणी अभी भी त्वरित थर्मल ऑक्सीजन उम्र बढ़ने की विधि का उपयोग करती है। रबर वातावरण में जटिल तापमान और आर्द्रता की स्थिति, तनाव प्रभाव, मध्यम प्रभाव आदि के प्रभाव में काफी शोध अंतराल हैं।
थर्मल ऑक्सीकरण प्रक्रिया के दौरान, रबर विभिन्न ऑक्सीकरण उत्पाद उत्पन्न करेगा, जो स्पष्ट रूप से उत्पाद की मोटाई की दिशा में वितरित होंगे, और इसका क्रॉस-लिंकिंग घनत्व भी बदल जाएगा। हवा और चिकनाई वाले तेल में एनबीआर के थर्मल ऑक्सीजन उम्र बढ़ने के व्यवहार और तंत्र पर गहन शोध करने के बाद, लेखक ने पाया कि हवा में एनबीआर की उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को तीन चरणों में विभाजित किया जा सकता है। पहला चरण मुख्य रूप से एडिटिव्स (प्लास्टिसाइज़र, एंटीऑक्सिडेंट, आदि) का प्रवास है। दूसरे चरण में, ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया और क्रॉस-लिंकिंग प्रतिक्रिया हावी होती है, जो क्रॉस-लिंकिंग डिग्री और कठोरता में वृद्धि से प्रकट होती है, जबकि लोचदार पुनर्प्राप्ति दर कम हो जाती है। देर से थर्मल ऑक्सीकरण उम्र बढ़ने के तीसरे चरण में, गंभीर ऑक्सीकरण के कारण आणविक श्रृंखलाएं भी टूट सकती हैं। हालाँकि, इस समय, एनबीआर की लोच लगभग पूरी तरह से खो गई है और इसे सीलिंग सामग्री के रूप में उपयोग नहीं किया जा सकता है। इस प्रक्रिया में एंटीऑक्सीडेंट सामग्री में परिवर्तन एक बहुत ही महत्वपूर्ण संकेतक है। जब इसकी सामग्री एक महत्वपूर्ण मूल्य तक गिर जाती है, तो लोचदार पुनर्प्राप्ति दर तेजी से गिर जाएगी, और कठोरता तेजी से बढ़ जाएगी, जिससे इसका प्रदर्शन खो जाएगा। जब एनबीआर को चिकनाई वाले तेल में थर्मल रूप से वृद्ध किया जाता है, तो सबसे पहले, रबर में चिकनाई वाले तेल के प्रसार के कारण, रबर लंबे समय तक अच्छा लचीलापन गुण बनाए रख सकता है। दूसरा, हालांकि चिकनाई वाला तेल कुछ हद तक ऑक्सीजन के प्रसार में बाधा डालता है, रबर आणविक श्रृंखलाओं की बढ़ती गतिशीलता के कारण तेल में ऑक्सीकरण की डिग्री अधिक होती है। यदि एक ही प्रकार का तेल अलग-अलग चिपचिपाहट वाला है, तो कम-चिपचिपापन वाले तेल में ऑक्सीकरण की डिग्री उच्च-चिपचिपापन वाले तेल की तुलना में अधिक होगी। तीसरा, एडिटिव्स पर चिकनाई वाले तेल के निष्कर्षण प्रभाव के कारण रबर में एडिटिव्स की प्रवासन गति तेज हो जाती है।
जब सीलिंग सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है, तो रबर तनाव के अधीन होता है और समय के साथ आराम करता है। गिलेन एट अल. सैंडिया नेशनल लेबोरेटरी ने विभिन्न तापमानों पर एक निश्चित तनाव के साथ ब्यूटाइल रबर के तनाव विश्राम व्यवहार का अध्ययन किया और पाया कि तनावपूर्ण परिस्थितियों में तनाव विश्राम दर में काफी तेजी आई थी।
जब रबर सीलिंग सामग्री का उपयोग गतिशील सीलिंग और स्नेहन स्थितियों में किया जाता है, तो रबर के घर्षण और पहनने के गुणों पर विचार किया जाना चाहिए। रबर का घर्षण गुणांक तरल, आसंजन और विरूपण का संयुक्त योगदान है। आसंजन आणविक स्तर पर कनेक्शन और विनाश है और लोचदार मापांक के साथ घटता है, जो विस्कोइलास्टिसिटी का एक कार्य है। रबर का हिस्टेरेटिक घर्षण एक ऊर्जा लेने वाली प्रक्रिया है, जिसमें आंतरिक नमी भी शामिल होती है, लेकिन लोचदार मापांक कम होने पर यह बढ़ जाता है। घिसाव स्थानीयकृत क्षति है, जो क्रॉस-लिंक्ड नेटवर्क के छोटे अणुओं में टूटने का परिणाम है। यदि यह एक नुकीली सतह है, तो घिसाव से तन्य विफलता हो जाएगी; यदि यह कुंद सतह है, तो यह थकान विफलता का कारण बनेगी। विभिन्न तेल माध्यमों का रबर के घर्षण और पहनने के गुणों पर अलग-अलग प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, एस्टर बेस ऑयल खनिज तेल और पॉलीओलेफ़िन सिंथेटिक तेल (पीएओ) की तुलना में एनबीआर के यांत्रिक गुणों को अधिक गंभीर रूप से ख़राब करता है।