Озоновое растрескивание
Трещины могут образовываться во многих различных эластомерах под воздействием озона , а характерная форма воздействия на уязвимые каучуки известна как озоновое растрескивание . Раньше эта проблема была очень распространена, особенно в шинах , но теперь ее редко можно увидеть в этих продуктах из-за профилактических мер.
Тем не менее, это происходит во многих других критически важных для безопасности элементах, таких как топливопроводы и резиновые уплотнения , такие как прокладки и уплотнительные кольца , где воздействие озона считается маловероятным. Для начала растрескивания необходимо лишь незначительное количество газа, поэтому эти предметы также могут стать жертвой проблемы.
Чувствительные эластомеры
[ редактировать ]Крошечные следы озона в воздухе разрушают двойные связи в резиновых цепях, причем натуральный каучук , полибутадиен , бутадиен-стирольный каучук и нитриловый каучук . наиболее чувствительны к разложению [1] Каждая повторяющаяся единица в первых трех материалах имеет двойную связь , поэтому каждая единица может разрушаться под действием озона. Нитриловый каучук представляет собой сополимер бутадиеновых . и акрилонитрильных звеньев, но доля акрилонитрила обычно ниже, чем бутадиена, поэтому происходит коррозия Бутилкаучук более устойчив, но все же имеет небольшое количество двойных связей в своих цепях, поэтому разрушение возможно. В первую очередь подвергаются воздействию открытые поверхности, плотность трещин варьируется в зависимости от концентрации озона. Чем выше концентрация, тем больше образуется трещин.
К озоностойким эластомерам относятся EPDM , фторэластомеры, такие как витон , и полихлоропреновые каучуки, такие как неопрен . Атака менее вероятна, поскольку двойные связи образуют очень небольшую часть цепей, а в случае последних хлорирование снижает электронную плотность в двойных связях, тем самым снижая их склонность к реакции с озоном. Силиконовая резина , хайпалон и полиуретаны также устойчивы к озону.
Форма растрескивания
[ редактировать ]
Озоновые трещины образуются в изделиях под напряжением, но критическая деформация очень мала. Трещины всегда ориентированы под прямым углом к оси деформации, поэтому образуются по окружности изогнутой резиновой трубки. Такие трещины очень опасны, когда они возникают в топливных трубках, поскольку трещины прорастают с внешних открытых поверхностей в отверстие трубы, что может привести к утечке топлива и возгоранию. Уплотнения также подвержены воздействию, например, мембранные уплотнения в воздухопроводах. Такие уплотнения часто имеют решающее значение для работы пневматического управления, и если в уплотнение проникнет трещина, все функции системы могут быть потеряны. Уплотнения из нитриловой резины обычно используются в пневматических системах из-за ее маслостойкости. Однако при наличии озона в уплотнениях произойдет растрескивание, если не принять профилактические меры.
Атака озона будет происходить в наиболее чувствительных зонах уплотнения, особенно в острых углах, где нагрузка наибольшая при изгибе уплотнения при использовании. Углы представляют собой концентрацию напряжений , поэтому напряжение максимально, когда диафрагма уплотнения изгибается под давлением воздуха.
Уплотнение, показанное слева, разрушилось из-за следов озона при концентрации около 1 ppm , и как только началось растрескивание, оно продолжалось до тех пор, пока присутствовал газ. Этот конкретный сбой привел к остановке производства на линии по производству полупроводников . Проблему решили путем добавления эффективных фильтров в воздуховод и изменения конструкции, чтобы исключить очень острые углы. Озоностойкий эластомер, такой как витон, также рассматривался в качестве замены нитрилового каучука . Фотографии были сделаны с использованием ESEM для максимального разрешения.
Озонолиз
[ редактировать ]Реакция, происходящая между двойными связями и озоном, известна как озонолиз , когда одна молекула газа реагирует с двойной связью:
Непосредственным результатом является образование озонида , который затем быстро разлагается, приводя к разрыву двойной связи. Это критический этап разрыва цепи при атаке полимеров. Прочность полимеров зависит от молекулярной массы цепи или степени полимеризации : чем больше длина цепи, тем больше механическая прочность (например, прочность на разрыв ). При разрыве цепи молекулярная масса быстро падает, и наступает момент, когда ее прочность становится совсем низкой, и образуется трещина. Дальнейшее воздействие происходит на только что обнаженные поверхности трещины, и трещина неуклонно растет, пока не замкнет круг и продукт не отделится или не выйдет из строя. В случае с уплотнением или трубкой выход из строя происходит при пробитии стенки устройства.
Образующиеся концевые карбонильные группы обычно представляют собой альдегиды или кетоны , которые могут далее окисляться до карбоновых кислот . Конечным результатом является высокая концентрация элементарного кислорода на поверхности трещин, которую можно обнаружить с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии в экологическом SEM или ESEM . Спектр слева показывает высокий пик кислорода по сравнению с постоянным пиком серы . Спектр справа показывает спектр незатронутой поверхности эластомера с относительно низким пиком кислорода по сравнению с пиком серы.
Профилактика
[ редактировать ]Проблему можно предотвратить, добавив антиозонанты в резину перед вулканизацией . Озоновые трещины часто наблюдались на боковинах автомобильных шин , но сейчас их можно увидеть редко благодаря использованию этих присадок. Распространенным и недорогим антиозонантом является воск, который вытекает на поверхность и образует защитный слой, но широко используются и другие специальные химические вещества.
С другой стороны, проблема повторяется в незащищенных продуктах, таких как резиновые трубки и уплотнения, где воздействие озона считается невозможным. К сожалению, следы озона могут обнаружиться в самых неожиданных ситуациях. Использование озоностойкой резины — еще один способ предотвращения растрескивания. каучук EPDM и бутилкаучук Например, устойчивы к озону.
Для дорогостоящего оборудования, потеря функции которого может вызвать серьезные проблемы, недорогие уплотнения можно заменять через частые промежутки времени, чтобы предотвратить выход из строя.
Газообразный озон образуется, например, во время электрического разряда при искрении или коронном разряде , например, . Статическое электричество может накапливаться в таких машинах, как компрессоры , движущиеся части которых изготовлены из изоляционных материалов. Если эти компрессоры подают сжатый воздух в закрытую пневматическую систему, то все уплотнения в системе могут подвергнуться риску растрескивания озона.
Озон также образуется в результате воздействия солнечного света на летучие органические соединения или ЛОС, такие как пары бензина, присутствующие в воздухе городов, что приводит к проблеме, известной как фотохимический смог . Образовавшийся озон может перемещаться на многие мили, прежде чем он будет уничтожен дальнейшими реакциями.
Использование резиновых лент для проверки загрязнения озоном
[ редактировать ]
Резиновые ленты использовались по крайней мере в одном широко разрекламированном домашнем эксперименте, позволяющем провести глобальное тестирование загрязнения озоном. [2] Под названием GORP, что означает «Глобальный участник озонового каучука», пользователи могут увидеть последствия загрязнения озоном вблизи своих домов или мест работы. Резинки были выбраны из-за их доступности и дешевизны. В эксперименте использовались две резиновые ленты, на каждой из которых подвешивались две небольшие бутылки с водой. Один подвешен на открытом воздухе, защищен от солнца и дождя, а другой - в помещении. Лист записи данных помещается позади установки и прикрепляется скотчем к стене. Затем пользователь отмечает изменения высоты бутылок с водой по мере разложения натурального каучука под воздействием загрязнения озоном. Поскольку обе бутылки с водой имеют почти одинаковую массу, сила, действующая на каждую резиновую ленту, одинакова, а жесткость пружины каждой резиновой ленты сравнивается через соотношение относительных удлинений бутылки с водой на резиновых лентах. Как правило, домашний экспериментатор видит относительно небольшие повреждения системы управления внутри помещения по сравнению с установкой вне помещения. Через неделю или две домашние экспериментаторы запечатывают обе резинки в небольшой пластиковый пакет и отправляют их вместе с техническими данными исследователям GORP. Исследователи изучают потерю эластичности в зависимости от данных и местоположения. Исследование GORP было первоначально проведено во время пандемии SARS-CoV-2 как средство проверки снижения загрязнения озоном во время карантина.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Слой, Р.В., и Латтимер, Р.П. (1990). Защита резины от озона. Химия и технология резины , 63 (3), 426–450.
- ^ Вофси, Майк. «Вы дышите озоновым загрязнением?» . www.instructables.com . Проверено 24 апреля 2020 г.
- Льюис, Питер Рис, Рейнольдс, К., Гагг, К., Судебная экспертиза материалов: тематические исследования , CRC Press (2004).
- Льюис, Питер Рис Судебная полимерная инженерия: Почему полимерные изделия выходят из строя , 2-е издание, Woodhead/Elsevier (2016).
