Gummimaterialers ældningsadfærd i havmiljøer

1. Introduktion

På grund af dens høj elasticitet, fremragende lufttæthed , og modstand mod forskellige medier, gummi er meget brugt i olie- og gastætningssystemer for rumfart, luftfart , og flådevåben.
Med den hurtige udvikling af Kinas nationale forsvarsindustri, vulkaniserede gummikomponenter blevet stadig vigtigere i rumfartsudstyr, marine fartøjer , og dybhavsteknik.
Især under komplekset havmiljø, gummitætningsmaterialer skal tåle høj luftfugtighed, saltspray , og mekanisk belastning stiller samtidig højere krav til materialets langsigtet stabilitet og levetid.

På nuværende tidspunkt er de fleste undersøgelser vedr ældning af gummi fokus på termisk-oxidativ ældningsadfærd af vulkaniseret gummi , hovedsageligt undersøger virkningerne af temperatur og ilt på dets egenskaber.
Men i havmiljø , faktorer som f.eks olie medier, æte gasser , og saltspray sameksistere, hvilket i væsentlig grad påvirker tætningsydelse og levetid af vulkaniserede gummikomponenter.

I modsætning hertil ikke-vulkaniserede gummidele (såsom delvist tværbundne beskyttelefonsespuder, gummibelægninger , og midlertidige forseglinger brugt på stedet ) udviser dårligere ældningsmodstand på grund af manglen på et stabilt tværbundet netværk.
Disse materialer er tilbøjelige til overfladeblødgøring, deformation , og præstationsforringelse under marin eksponering.

2. Årsager og virkninger af gummiældning

Årsagerne til ældning af gummi kan opdeles i iboende og ydre faktorer:

Iboende faktorer omfatte kemisk sammensætning af polymer struktur, molekylær konformation, krystAlleinitet, kædesammenfiltring og kædespaltning eller oxidation introduceret under forarbejdning.

Ydre faktorer omfatte ilt, ozon, temperatur, fugtighed, salttåge, skimmelsvamp , og ultraviolet stråling i miljøet.

For vulkaniserede gummikomponenter , a tredimensionel tværbundet struktur giver godt modstand mod stress-afspænding og kemisk stabilitet.
Dog længerevarende udsættelefonse for marine miljøer stadig kan forårsage tværbindingsbrud, overflade revner , eller hærdning.

Ikke-vulkaniserede gummidele på den anden side mangler vulkaniseringsbehandling. Deres løse molekylære kæder og stort frit volumen gøre dem mere modtagelige for marine ioner, oxidationsmidler , og UV-stråling , hvilket fører til accelereret aldring.

Ældringsinducerede præstationsændringer omfatter:

Udseende ændringer : overfladehærdning, revner, klæbrighed og misfarvning.

Fysisk og kemisk nedbrydning : reduktion i tæthed, hårdhed, trækstyrke, kompressionssæt, viskoelasticitet , og elektriske egenskaber.

Derfor i praktiske anvendelser som f.eks olietætninger til rumfart, marine beskyttelefonsespuder , og dybhavstætningsringe , er det vigtigt at etablere distinkt standarder for aldringsevaluering for vulkaniseret og ikke-vulkaniserede gummiprodukter.

3. Accelererede ældningstest og forudsigelse af levetid

I ingeniørpraksis, gummiprodukter —især vulkaniserede gummikomponenter —har ofte en levetid på over ti år.
For at simulere langvarig brug, højtemperatur-accelererede ældningstest er almindeligt ansat.

Tidlige undersøgelser brugt iltoptagelse som en indikator for ældningshastighed, senere udvikler sig til metoder som f.eks ovn aldring, iltbombe, luftbombe , og kunstig forvitring tests.
Den mest udbredte tilgang i dag er baseret på Arrhenius empiriske forhold og den tid-temperatur superpositionsprincip , som antager, at for hver 10 °C temperaturstigning reaktionshastighed fordobler.

Dog i marine miljøer , traditionel forudsigelsesmodeller for accelereret aldring vise afvigelser pga:

anderledes reaktionsmekanismer ved varierende temperaturzoner,

antioxidant migration eller udfældning,

polymermorfologisk udvikling , og

iltdiffusionsbegrænsninger relateret til prøvetykkelse.

Derfor for vulkaniserede gummikomponenter opererer i marine serviceforhold , er det tilrådeligt at sænke den accelererede ældningstemperatur, forlænge testvarigheden eller udvikle multi-faktor koblingsmodeller involverende fugtighed, saltspray , og mikrobiel aktivitet at forbedre levetid forudsigelse nøjagtighed.

For ikke-vulkaniserede gummidele på grund af fraværet af et stabilt tværbundet netværk, blødgøring eller svigt opstår hurtigt under accelereret aldring.
Altså traditionel Arrhenius-baseret ekstrapolationer er upålidelige, og kun kortsigtede stabilitetsevalueringer udføres generelt.

4. Havmiljøsimulering til accelereret test

I betragtning af kompleksiteten af havmiljø , enkeltfaktor tests som f.eks fugtighed - varme, saltspray , eller eksponering for skimmelsvamp kan ikke fuldt ud replikere faktiske serviceforhold.

I denne undersøgelse er en forbedret fugt-varme ældningsapparater blev anvendt og erstattet destilleret vand med kunstigt havvand og afholdelse af test kl 90 °C og 98% luftfugtighed at simulere multi-faktor accelereret aldring.
Denne metode øger aldringshastighed med ca ottedoblet , hvilket giver mulighed for hurtig evaluering af vulkaniserede gummikomponenter under marin eksponering.

De eksperimentelefonle resultater giver værdifuld vejledning til udvælgelse tætningsmaterialer i flådefartøjer, dykkerudstyr , og søkabler , samtidig med at det hjælper med at optimere kortsigtet stabilitet af ikke-vulkaniserede gummikomponenter i beskyttende strukturelle applikationer.

På grund af dens høj elasticitet, fremragende lufttæthed , og modstand mod forskellige medier, gummi er meget brugt i olie- og gastætningssystemer for rumfart, luftfart , og flådevåben.