Растрескивание под воздействием экологического стресса
Растрескивание под воздействием окружающей среды ( ESC ) является одной из наиболее частых причин неожиданного хрупкого разрушения термопластичных (особенно аморфных) полимеров , известных в настоящее время. Согласно ASTM D883, растрескивание под напряжением определяется как «внешняя или внутренняя трещина в пластике, вызванная растягивающими напряжениями, меньшими, чем его кратковременная механическая прочность». Этот тип растрескивания обычно включает хрупкое растрескивание с незначительным или вообще без пластического вытягивания материала с прилегающих поверхностей разрушения. [1] Растрескивание под воздействием окружающей среды может составлять около 15-30% всех отказов пластиковых компонентов в процессе эксплуатации. [2] Такое поведение особенно распространено в стеклообразных аморфных термопластах. [3] Аморфные полимеры обладают ЭСК из-за своей рыхлой структуры, которая облегчает проникновение жидкости в полимер. Аморфные полимеры более склонны к ЭСК при температуре выше, чем температура стеклования (T g ), из-за увеличенного свободного объема. Когда T g приближается, в полимерные цепи может проникнуть больше жидкости. [4]
Воздействие полимеров на растворители
[ редактировать ]
ЭСК и устойчивость полимеров к ЭСК (ESCR) изучаются уже несколько десятилетий. [5] Исследования показывают, что воздействие на полимеры жидких химикатов имеет тенденцию ускорять процесс растрескивания , вызывая растрескивание при напряжениях, которые намного ниже, чем напряжение, вызывающее растрескивание на воздухе. [5] [6] Одного действия растягивающего напряжения или коррозионной жидкости было бы недостаточно, чтобы вызвать разрушение, но в ЭСК зарождение и рост трещины вызваны совместным действием напряжения и коррозионной жидкости окружающей среды. Эти агрессивные жидкости для окружающей среды называются «вторичными химическими агентами», часто являются органическими и определяются как растворители, которые не должны вступать в контакт с пластиком в течение всего срока его использования. Неисправность редко связана с первичными химическими агентами, поскольку ожидается, что эти материалы вступят в контакт с полимером в течение его срока службы, и, таким образом, совместимость обеспечивается до использования. На воздухе разрушение из-за ползучести известно как разрыв при ползучести, поскольку воздух действует как пластификатор, и это действует параллельно с растрескиванием под воздействием окружающей среды. [7]
Это несколько отличается от деградации полимера тем, что растрескивание под напряжением не разрушает полимерные связи. Вместо этого он разрывает вторичные связи между полимерами. Они разрушаются, когда механические напряжения вызывают мельчайшие трещины в полимере, и они быстро распространяются в суровых условиях окружающей среды. [8] Также было замечено, что катастрофическое разрушение под нагрузкой может произойти из-за воздействия реагента , который не воздействует на полимер в ненапряженном состоянии. Растрескивание под воздействием окружающей среды ускоряется из-за более высоких температур, циклических нагрузок, повышенной концентрации напряжений и усталости. [7]
Металлурги обычно используют термин «коррозионное растрескивание под напряжением» или «разрушение под воздействием окружающей среды» для описания этого типа разрушения металлов.
Факторы, влияющие на ЭКУ
[ редактировать ]Хотя явление ESC известно уже несколько десятилетий, исследования еще не позволили предсказать этот тип разрушения для всех сред и для каждого типа полимера. Некоторые сценарии хорошо известны, задокументированы или могут быть предсказаны, но не существует полной информации для всех комбинаций стресса, полимера и окружающей среды. Скорость ESC зависит от многих факторов, включая химический состав полимера, связь, кристалличность , шероховатость поверхности, молекулярную массу и остаточное напряжение . Это также зависит от химической природы и концентрации жидкого реагента, температуры системы и скорости деформации .
Механизмы ЭКУ
[ редактировать ]Существует ряд мнений о том, как те или иные реагенты действуют на полимеры в условиях стресса. Поскольку ЭСК часто наблюдается в аморфных полимерах, а не в полукристаллических полимерах, теории механизма ЭСК часто вращаются вокруг взаимодействия жидкости с аморфными областями полимеров. Одна из таких теорий заключается в том, что жидкость может диффундировать в полимер, вызывая набухание, которое увеличивает подвижность цепи полимера. Результатом является снижение предела текучести и температуры стеклования (T g ), а также пластификация материала, что приводит к образованию трещин при более низких напряжениях и деформациях. [2] [6] Вторая точка зрения заключается в том, что жидкость может уменьшить энергию, необходимую для создания новых поверхностей в полимере за счет смачивания поверхности полимера и, следовательно, способствовать образованию пустот, что считается очень важным на ранних стадиях образования крейзов. [2] ESC может происходить непрерывно или с кусочным механизмом запуска и остановки.
Существует ряд экспериментально полученных доказательств в поддержку вышеизложенных теорий:
- Как только в полимере образуется крейз, это создает легкий путь диффузии , так что воздействие окружающей среды может продолжаться, а процесс крейза может ускориться.
- Химическая совместимость между окружающей средой и полимером определяет степень, в которой окружающая среда может набухать и пластифицировать полимер. [2]
- Эффекты ESC уменьшаются, когда скорость роста трещин высока. В первую очередь это связано с неспособностью жидкости успевать за ростом трещины. [2]
- После отделения от других цепей полимеры выравниваются, что приводит к охрупчиванию.
ЭСК обычно происходит на поверхности пластика и не требует значительного проникновения вторичного химического агента в материал, что оставляет объемные свойства неизмененными. [7]
Другая теория механизма распространения крейза в аморфных полимерах предложена Крамером. Согласно его теории, образованию внутренних поверхностей в полимерах способствует поверхностное натяжение полимеров, которое определяется как вторичными взаимодействиями, так и вкладом несущих цепей, которые должны подвергнуться разрушению или проскальзыванию для образования поверхности. Эта теория дает объяснение уменьшению напряжения, необходимого для распространения увлечения, в присутствии поверхностно-активных реагентов, таких как моющие средства, и высокой температуры. [9]
Механизм ESC из полиэтилена
[ редактировать ]Полукристаллические полимеры, такие как полиэтилен, хрупко разрушаются под напряжением, если подвергаются воздействию агентов, вызывающих растрескивание под напряжением. В таких полимерах кристаллиты соединены связующими молекулами через аморфную фазу. Связующие молекулы играют важную роль в механических свойствах полимера посредством передачи нагрузки. Агенты, вызывающие растрескивание под напряжением, такие как детергенты, снижают силы сцепления, которые удерживают связующие молекулы в кристаллитах, тем самым облегчая их «выдергивание» и распутывание из пластинок. [10] В результате растрескивание начинается при значениях напряжения ниже критического уровня напряжения материала.
В общем, механизм растрескивания полиэтилена под воздействием окружающей среды включает распутывание связующих молекул из кристаллов. Количество связанных молекул и прочность кристаллов, которые их закрепляют, считаются контролирующими факторами, определяющими устойчивость полимера к ЭСК. [11]
Характеристика ЭКУ
[ редактировать ]Для оценки устойчивости полимера к растрескиванию под воздействием окружающей среды используется ряд различных методов. Распространенным методом в полимерной промышленности является использование приспособления Бергена, которое подвергает образец переменной деформации во время одного испытания. Результаты этого испытания указывают на критическую деформацию растрескивания при использовании только одного образца. [5] Еще одним широко используемым тестом является тест Bell Telephone, при котором изогнутые полоски подвергаются воздействию интересующих жидкостей в контролируемых условиях. [12] Кроме того, были разработаны новые тесты, в которых оценивается время зарождения трещин при поперечной нагрузке и агрессивном растворителе (10% раствор Igepal CO-630). Эти методы основаны на том, что индентор создает двухосную нагрузку на материал, предотвращая при этом радиальную концентрацию напряжений. Напряженный полимер находится в агрессивном агенте, а находящийся под напряжением пластик вокруг индентора отслеживается, чтобы оценить время образования трещин, что является способом количественной оценки устойчивости ESC. Испытательное устройство для этого метода известно как Telecom и имеется в продаже; Первоначальные эксперименты показали, что это тестирование дает результаты, эквивалентные ASTM D1693, но в гораздо более короткие сроки. [13] Текущие исследования посвящены применению механики разрушения для изучения явлений ЭСК. [14] [15] Подводя итог, тем не менее, не существует единого дескриптора, применимого к ЭСК — скорее, конкретный перелом зависит от материала, условий и присутствующих вторичных химических агентов.
Сканирующая электронная микроскопия и фрактографические методы исторически использовались для анализа механизма разрушения, особенно в полиэтилене высокой плотности (ПЭВП). Разрушение замораживанием оказалось особенно полезным для изучения кинетики ESC, поскольку оно позволяет получить моментальный снимок процесса распространения трещины во времени. [1]
Деформационное упрочнение как мера устойчивости к растрескиванию под воздействием окружающей среды (ESCR)
[ редактировать ]Существует множество различных методов измерения ESCR. Однако длительное время испытаний и высокие затраты, связанные с этими методами, замедляют научно-исследовательскую деятельность по разработке материалов с более высокой устойчивостью к растрескиванию под напряжением. разработала новый, более простой и быстрый метод Чтобы преодолеть эти проблемы, компания SABIC оценки ESCR для материалов из полиэтилена высокой плотности (HDPE). В этом методе устойчивость к медленному росту трещин или растрескиванию под воздействием окружающей среды прогнозируется на основе простого измерения растяжения при температуре 80 ° C. [9] Когда полиэтилен деформируется под действием одноосного растяжения, перед текучестью жесткая кристаллическая фаза полимера подвергается небольшой деформации, в то время как аморфные домены деформируются значительно. После предела текучести, но до того, как материал подвергнется деформационному упрочнению, кристаллические пластинки скользят, где как кристаллическая фаза, так и аморфные домены способствуют выдерживанию нагрузки и деформации. В какой-то момент аморфные домены полностью растягиваются, и начинается деформационное упрочнение. В области деформационного упрочнения удлиненные аморфные домены становятся фазой, несущей нагрузку, тогда как кристаллические ламели разрушаются и разворачиваются, чтобы приспособиться к изменению деформации. Несущие цепи в аморфных доменах полиэтилена состоят из связующих молекул и перепутывают цепи. Из-за ключевой роли связующих молекул и переплетений в сопротивлении растрескиванию полиэтилена под воздействием окружающей среды следует, что поведение ESCR и деформационного упрочнения вполне могут коррелировать. [16]
В методе деформационного упрочнения наклон области деформационного упрочнения (выше естественной степени вытяжки) на истинных кривых растяжения рассчитывается и используется в качестве меры ESCR. Этот наклон называется модулем деформационного упрочнения (G p ). Модуль деформационного упрочнения рассчитывается по всей области деформационного упрочнения на кривой истинного напряжения. Областью деформационного упрочнения на кривой напряжения-деформации считается однородно деформируемая часть, значительно превышающая естественный коэффициент вытяжки, который определяется наличием расширения шейки, и ниже максимального удлинения. [9] Модуль деформационного упрочнения при измерении при 80 °C чувствителен к тем же молекулярным факторам, которые определяют сопротивление медленному растрескиванию ПЭВП, измеренное с помощью ускоренного теста ESCR, при котором используется поверхностно-активный агент. [9] Было обнаружено, что модуль деформационного упрочнения и значения ESCR для полиэтилена тесно коррелируют друг с другом.
Примеры
[ редактировать ]
Очевидным примером необходимости противостоять ESC в повседневной жизни является автомобильная промышленность , в которой ряд различных полимеров подвергается воздействию ряда жидкостей. Некоторые из химических веществ, участвующих в этих взаимодействиях, включают бензин, тормозную жидкость и раствор для очистки ветрового стекла. [6] пластификаторов Например, выщелачивание из ПВХ также может привести к ESC в течение длительного периода времени.Один из первых примеров проблемы касался ЭСК ПВД . Материал изначально использовался для изоляции электрических кабелей, а растрескивание возникло из-за взаимодействия изоляции с маслами. Решение проблемы заключалось в увеличении молекулярной массы полимера. тест на воздействие сильного моющего средства, такого как Igepal Для предупреждения об ESC был разработан .
Восприимчивость стиролакрилонитрила к кетоновому растворителю
[ редактировать ]Более конкретный пример — клавиша фортепиано , изготовленная из литого стиролакрилонитрила (SAN). Ключ имеет крючок на конце, который соединяет его с металлической пружиной, которая заставляет ключ возвращаться в исходное положение после удара. При сборке фортепиано использовался клей , а излишки клея, пролившиеся на участки, где он не требовался, удалялись с помощью кетонового растворителя . Некоторое количество паров этого растворителя конденсировалось на внутренней поверхности клавиш фортепиано. Через некоторое время после этой чистки произошел перелом в месте соединения конца крючка с пружиной. [17]
Чтобы определить причину перелома, клавиша пианино SAN стеклования в течение короткого времени нагревалась выше температуры . Если внутри полимера имеется остаточное напряжение, деталь будет сжиматься при выдержке при такой температуре. Результаты показали, что произошла значительная усадка, особенно в месте соединения конца крючка с пружиной. Это указывает на концентрацию напряжений, возможно, на комбинацию остаточных напряжений от формовки и действия пружины. Был сделан вывод, что, хотя и существовало остаточное напряжение, разрушение произошло из-за сочетания растягивающего напряжения от действия пружины и присутствия кетонового растворителя. [17]
Восприимчивость полимерной опалубки к бетонному тесту
[ редактировать ]Полимерные опалубки могут пострадать от внезапных поломок во время заливки, которые обычно связаны с давлением, оказываемым влажным бетоном на тонкие пластиковые опалубки. Такие разрушения могут быть существенно ускорены коррозионным воздействием влажной бетонной пасты, pH которой составляет около 13. Определенные термопласты подвергаются более серьезному воздействию, особенно те, которые находятся в аморфной форме, такие как PLA , PET и PC . Это явление еще более выражено в полимерных опалубках, напечатанных на 3D-принтере, где существует корреляция между механизмом растрескивания под воздействием окружающей среды и канавками на границе слоев, где концентрируются напряжения. [18]
См. также
[ редактировать ]
- Коррозионная инженерия
- Ползучесть (деформация)
- Крокодил трескается
- охрупчивание
- Перелом под воздействием окружающей среды
- Судебная инженерия
- Судебная полимерная инженерия
- Механика разрушения
- Сезон трещин
- Коррозионное растрескивание под напряжением
- Структурный отказ
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Чхве, Бён Хо; Вейнхольд, Джеффри; Ройшле, Дэвид; Капур, Мридула (2009). «Моделирование механизма разрушения ПЭВП, подвергнутого испытанию на устойчивость к растрескиванию под воздействием окружающей среды». Полимерная инженерия и наука . 49 (11): 2085–2091. дои : 10.1002/pen.21458 . ISSN 1548-2634 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ХФ Марк (2004). Энциклопедия полимерной науки и техники - 3-е изд. Том 12. John Miley & Sons Inc.
- ^ Генри, LF (1974). «Прогнозирование и оценка чувствительности стекловидных термопластов к растрескиванию под воздействием окружающей среды». Полимерная инженерия и наука . 14 (3): 167–176. дои : 10.1002/pen.760140304 . ISSN 1548-2634 .
- ^ Дж. Шайрс (2000). Анализ состава и разрушения полимеров . Дж. Уайли и сыновья.
- ^ Перейти обратно: а б с Сянъян Ли (2005). Устойчивость к растрескиванию под воздействием окружающей среды нового сополимера бисфенола-А. Деградация и стабильность полимеров. Том 90, выпуск 1, 44–52.
- ^ Перейти обратно: а б с Дж. К. Арнольд (1998). Влияние диффузии на возникновение трещин в ПММА под воздействием окружающей среды. Журнал материаловедения 33, 5193–5204.
- ^ Перейти обратно: а б с «Инженерия пластмасс – ноябрь/декабрь 2015 г. – Разрушение пластика из-за растрескивания под воздействием окружающей среды» . read.nxtbook.com . Проверено 23 мая 2019 г.
- ^ Мичиганский университет - Инженерный колледж, Свойства пластмасс. Архивировано 6 мая 2008 г. в Wayback Machine . По состоянию на 22 апреля 2008 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Курелеча, Л.; Теувенб, М.; Шоффелерсб, Х.; Деблик, Р. (2005). «Модуль деформационного упрочнения как мера устойчивости полиэтилена высокой плотности к растрескиванию под воздействием окружающей среды». Полимер . 46 (17): 6369–6379. doi : 10.1016/j.polymer.2005.05.061 .
- ^ Чен, Ян (2014). «Исследование устойчивости к растрескиванию под воздействием окружающей среды смесей ПЭВП/ЭВА и ПЭНП/ЭВА». Журнал прикладной науки о полимерах . 131 (4): н/д. дои : 10.1002/app.39880 . ISSN 1097-4628 .
- ^ Уорд, Алабама; Лу, Х.; Хуанг, Ю.; Браун, Н. (1 января 1991 г.). «Механизм медленного роста трещин в полиэтилене под действием агента растрескивания под воздействием окружающей среды» . Полимер . 32 (12): 2172–2178. дои : 10.1016/0032-3861(91)90043-I . ISSN 0032-3861 .
- ^ «t4 uni-halle 3.1.2 Тест телефона Bell (BTT)» (PDF) . Библиотека Юни-Халле : 2.
- ^ Джар, Бен (2017). «Новый метод определения устойчивости полиэтиленовых труб к растрескиванию под воздействием окружающей среды (ESCR)». SPE ANTEC Анахайм 2017 : 1994–1998 гг. S2CID 13879793 .
- ^ Андена, Лука; Кастеллани, Леонардо; Кастильони, Андреа; Мендоньи, Андреа; Ринк, Марта; Саккетти, Франциско (1 марта 2013 г.). «Определение стойкости полимеров к растрескиванию под воздействием окружающей среды: влияние истории нагрузок и конфигурации испытаний». Инженерная механика разрушения . Разрушение полимеров, композитов и клеев. 101 : 33–46. doi : 10.1016/j.engfracmech.2012.09.004 .
- ^ Камалудин, Массачусетс; Патель, Ю.; Уильямс, Дж.Г.; Блэкман, БРК (2017). «Подход механики разрушения к характеристике растрескивания термопластов под воздействием окружающей среды». Теоретическая и прикладная механика разрушения . 92 : 373–380. дои : 10.1016/j.tafmec.2017.06.005 . hdl : 10044/1/49864 .
- ^ Ченг, Джой Дж.; Полак, Мария А.; Пенлидис, Александр (1 июня 2008 г.). «Показатель устойчивости к растрескиванию под напряжением при растяжении и упрочнении». Журнал макромолекулярной науки, часть A. 45 (8): 599–611. дои : 10.1080/10601320802168728 . ISSN 1060-1325 . S2CID 137204431 .
- ^ Перейти обратно: а б Эзрин М. и Лавин Г. (2007). Неожиданные и необычные разрушения полимерных материалов. Анализ инженерных отказов , том 14, 1153–1165.
- ^ Джипа, Андрей; Райтер, Лекс; Флэтт, Роберт Дж.; Дилленбургер, Бенджамин (1 октября 2022 г.). «Растрескивание полимеров, напечатанных на 3D-принтере под воздействием окружающей среды, под воздействием бетона» . Аддитивное производство . 58 : 103026. doi : 10.1016/j.addma.2022.103026 . hdl : 20.500.11850/557858 . ISSN 2214-8604 . S2CID 250379504 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Эзрин, Мейер (1996). Руководство по отказам пластмасс: причины и предотвращение , Hanser-SPE.
- Райт, Дэвид К. (2001). Растрескивание пластмасс под воздействием окружающей среды RAPRA.
- Льюис, Питер Рис, Рейнольдс, К. и Гагг, К. (2004). Судебная экспертиза материалов: практические примеры , CRC Press.