Растрескивание под воздействием окружающей среды - Environmental stress cracking

Трещины (поверхностные трещины), произведенные ESC в ПММА стакан для питья

Растрескивание под воздействием окружающей среды (ESC) - одна из самых частых причин неожиданных хрупкий отказ термопласт (особенно аморфный) полимеры известно 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 в себя хрупкое растрескивание с небольшим или отсутствующим пластичным вытягиванием материала с соседних поверхностей разрушения.[1] На растрескивание под воздействием окружающей среды может приходиться около 15-30% всех пластик отказы компонентов в эксплуатации.[2] Такое поведение особенно характерно для стеклообразных аморфных термопластов.[3] Аморфные полимеры демонстрируют ESC из-за их рыхлой структуры, которая облегчает проникновение жидкости в полимер. Аморфные полимеры более склонны к ESC при температуре выше, чем их температура стеклования (Tграмм) за счет увеличенного свободного объема. Когда Tграмм По мере приближения к полимерным цепям, больше жидкости может проникать в полимерные цепи.[4]

ESC и устойчивость полимеров к ESC (ESCR) изучаются в течение нескольких десятилетий.[5] Исследования показывают, что воздействие жидкости на полимеры химикаты имеет тенденцию ускорять трескаться процесс, вызывающий образование трещин при напряжениях, которые намного ниже, чем напряжения, вызывающие образование трещин в воздухе.[5][6] Действие либо растягивающего напряжения, либо разъедающий одной жидкости было бы недостаточно, чтобы вызвать разрушение, но в ESC возникновение и рост трещины вызваны совместным действием напряжения и коррозионной жидкости окружающей среды. Эти агрессивные экологические жидкости называются «вторичными химическими агентами», часто являются органическими и определяются как растворители, которые, как ожидается, не вступят в контакт с пластиком в течение срока его использования. Неисправности редко связаны с первичными химическими агентами, поскольку предполагается, что эти материалы будут контактировать с полимером в течение его срока службы, и, таким образом, совместимость обеспечивается перед использованием. На воздухе разрушение из-за ползучести известно как разрыв из-за ползучести, поскольку воздух действует как пластификатор, и это действует параллельно с растрескиванием под воздействием окружающей среды.[7]

Это несколько отличается от разложение полимера в том, что растрескивание под напряжением не разрушает полимерные связи. Вместо этого он разрушает 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 катастрофический отказ под воздействием стресса может произойти из-за атаки реагент которые не будут атаковать полимер в ненапряженном состоянии. Растрескивание под воздействием окружающей среды ускоряется из-за более высоких температур, циклической нагрузки, повышенных концентраций напряжений и усталости.[7]

Металлурги обычно используют термин Коррозионное растрескивание под напряжением или же Экологический стресс-перелом чтобы описать этот тип разрушения металлов.

Прогнозирование ESC

Хотя явление ESC было известно в течение нескольких десятилетий, исследования еще не позволили предсказать этот тип отказа для всех сред и для каждого типа полимера. Некоторые сценарии хорошо известны, задокументированы или могут быть предсказаны, но не существует полной справочной информации для всех комбинаций напряжения, полимера и окружающей среды. Скорость ESC зависит от многих факторов, включая химический состав полимера, связывание, кристалличность, шероховатость поверхности, молекулярный вес и остаточный стресс. Это также зависит от химической природы и концентрации жидкого реагента, температура системы и скорость деформации.

Механизмы ESC

Существует ряд мнений о том, насколько точно реагенты воздействуют на полимеры под нагрузкой. Поскольку ESC часто встречается в аморфный Полимеры, а не полукристаллические полимеры, теории относительно механизма ESC часто вращаются вокруг жидкостных взаимодействий с аморфными областями полимеров. Одна из таких теорий заключается в том, что жидкость может диффундировать в полимер, вызывая набухание, которое увеличивает подвижность цепи полимера. В результате снижается предел текучести и температура стеклования (Тграмм), а также пластификация материала, которая приводит к растрескиванию при более низких напряжениях и деформациях.[2][6] Вторая точка зрения состоит в том, что жидкость может уменьшить энергию, необходимую для создания новых поверхностей в полимере, за счет смачивание поверхность полимера и, следовательно, способствует образованию пустот, что считается очень важным на ранних стадиях образования крейзов.[2] ESC может происходить как непрерывно, так и по частям, механизм запуска и остановки

Существует множество экспериментальных доказательств, подтверждающих вышеприведенные теории:

  • Как только в полимере образуется повальное увлечение, это создает легкий распространение таким образом, чтобы атака окружающей среды могла продолжаться, а процесс взлома мог ускориться.
  • Химическая совместимость между окружающей средой и полимером определяет количество, в котором окружающая среда может набухать и пластифицировать полимер.[2]
  • Эффект ESC уменьшается, 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.

ESC обычно происходит на поверхности пластика и не требует значительного проникновения вторичного химического агента в материал, что оставляет неизменными объемные свойства.[7]

Другая теория механизма распространения крейзов в аморфных полимерах предложена Крамером. Согласно его теории, формированию внутренних поверхностей в полимерах способствует поверхностное натяжение полимера, которое определяется как вторичными взаимодействиями, так и вкладом несущих цепей, которые должны подвергаться разрушению или проскальзыванию для образования поверхности. Эта теория обеспечивает и объясняет уменьшение напряжения, необходимого для распространения крейза в присутствии поверхностно-активных реагентов, таких как детергенты и высокая температура.[9]

Механизм ESC из полиэтилена

Полукристаллические полимеры, такие как полиэтилен, демонстрируют хрупкое разрушение под напряжением, если они подвергаются действию агентов растрескивания под напряжением. В таких полимерах кристаллиты связаны связующими молекулами через аморфную фазу. Связующие молекулы играют важную роль в механических свойствах полимера за счет передачи нагрузки. Агенты, вызывающие растрескивание под напряжением, такие как детергенты, снижают когезионные силы, которые удерживают связывающие молекулы в кристаллитах, тем самым облегчая их «выдергивание» и отсоединение от ламелей.[10] В результате растрескивание начинается при значениях напряжения ниже критического уровня напряжения материала.

Как правило, механизм растрескивания полиэтилена под воздействием окружающей среды включает отделение связанных молекул от кристаллов. Количество связывающих молекул и прочность кристаллов, которые их закрепляют, считаются определяющими факторами при определении устойчивости полимера к ESC.[11]

Характеризуя ESC

Для оценки устойчивости полимера к растрескиванию под воздействием окружающей среды используется ряд различных методов. Распространенным методом в полимерной промышленности является использование Джиг-берген, который подвергает образец переменной деформации во время одного испытания. Результаты этого испытания указывают на критическую деформацию растрескивания с использованием только одного образца.[5] Другой широко используемый тест - это Телефонный тест Bell где изогнутые полосы подвергаются воздействию представляющих интерес жидкостей в контролируемых условиях. Кроме того, были разработаны новые тесты, в которых оценивается время зарождения трещин при поперечной нагрузке и агрессивном растворителе (10% раствор Igepal CO-630). В этих методах используется индентор для двухосного напряжения материала, предотвращая при этом концентрацию радиального напряжения. Напряженный полимер находится в агрессивном агенте, и за напряженным пластиком вокруг индентора наблюдают, чтобы оценить время до образования трещин, что является способом количественной оценки сопротивления ESC. Аппарат для тестирования этого метода известен как Telecom и коммерчески доступен; начальные эксперименты показали, что это испытание дает результаты, эквивалентные ASTM D1693, но в гораздо более коротком масштабе времени.[12] Текущее исследование посвящено применению механика разрушения к изучению явлений ESC.[13][14] Вкратце, однако, не существует единственного дескриптора, применимого к ESC - скорее, конкретная трещина 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 (HDPE). Разрушение при замораживании оказалось особенно полезным для изучения кинетики ESC, так как они обеспечивают моментальный снимок во времени процесса распространения трещины.[1]

Деформационное упрочнение как мера сопротивления растрескиванию под воздействием окружающей среды (ESCR)

Существует множество различных методов измерения ESCR. Однако длительное время испытаний и высокие затраты, связанные с этими методами, замедляют научно-исследовательские работы по разработке материалов с более высоким сопротивлением растрескиванию под напряжением. Для решения этих проблем был разработан новый более простой и быстрый метод. САБИК для оценки ESCR для материалов из полиэтилена высокой плотности (HDPE). В этом методе сопротивление медленному росту трещин или растрескиванию под воздействием окружающей среды прогнозируется на основе простого измерения растяжения при температуре 80 ℃.[9] Когда полиэтилен деформируется при одноосном растяжении, до текучести жесткая кристаллическая фаза полимера претерпевает небольшую деформацию, в то время как аморфные домены деформируются значительно. После предела текучести, но до того, как материал подвергнется деформационному упрочнению, кристаллические ламели проскальзывают, где как кристаллическая фаза, так и аморфные домены вносят вклад в несение нагрузки и деформацию. В какой-то момент аморфные домены полностью растянутся, и начнется деформационное упрочнение. В области деформационного упрочнения удлиненные аморфные домены становятся фазой, несущей нагрузку, в то время как кристаллические ламели подвергаются разрушению и разворачиваются, чтобы приспособиться к изменению деформации. Несущие цепи в аморфных доменах полиэтилена состоят из связывающих молекул и запутанных цепей. Из-за ключевой роли связующих молекул и зацеплений в сопротивлении растрескиванию под воздействием окружающей среды в полиэтилене следует, что поведение ESCR и деформационного упрочнения может быть очень хорошо коррелировано.[15]

В методе деформационного упрочнения наклон области деформационного упрочнения (выше естественной степени вытяжки) в истинном кривые напряжения-деформации вычисляется и используется как мера ESCR. Этот наклон называется модулем деформационного упрочнения (Gп). Модуль деформационного упрочнения рассчитывается по всей области деформационного упрочнения на кривой истинного напряжения. Область деформационного упрочнения на кривой зависимости напряжения от деформации считается однородно деформирующейся частью, значительно превышающей естественную степень вытяжки, которая определяется наличием распространения шейки, и ниже максимального удлинения.[9] Модуль деформационного упрочнения, измеренный при 80 ℃, чувствителен к тем же молекулярным факторам, которые определяют сопротивление медленному растрескиванию в HDPE, как измерено с помощью ускоренного испытания ESCR, в котором используется поверхностно-активный агент.[9] Было обнаружено, что значения модуля деформационного упрочнения и ESCR для полиэтилена сильно коррелируют друг с другом.

Примеры

Очевидным примером необходимости противостоять ESC в повседневной жизни является автоматизированная индустрия, в котором ряд различных полимеров подвергается воздействию ряда жидкостей. Некоторые из химикатов, участвующих в этих взаимодействиях, включают бензин, тормозную жидкость и раствор для очистки лобового стекла.[6] Пластификаторы выщелачивание из ПВХ также может вызывать ESC в течение длительного периода времени, например. Один из первых примеров проблемы связан с ESC LDPE. Материал изначально использовался для изоляции электрических кабелей, и растрескивание произошло из-за взаимодействия изоляции с маслами. Решение проблемы заключается в увеличении молекулярной массы полимера. Испытание воздействия сильного моющее средство Такие как Igepal был разработан для предупреждения ESC.

Клавиша пианино SAN

Более конкретным примером является клавиша фортепиано, сделанная из литого под давлением стиролакрилонитрила (SAN). У ключа есть крючок, который соединяет его с металлической пружиной, которая заставляет ключ возвращаться в исходное положение после удара. Во время сборки фортепиано клей был использован, а излишки клея, пролившиеся на участки, где он не требовался, были удалены с помощью кетона. растворитель. Некоторое количество паров этого растворителя конденсировалось на внутренней поверхности клавиш пианино. Через некоторое время после этой чистки в месте соединения конца крючка с пружиной произошел перелом.[16]

Чтобы определить причину перелома, клавишную клавиатуру SAN на короткое время нагревали выше температуры стеклования. Если внутри полимера возникает остаточное напряжение, деталь будет давать усадку при выдержке при такой температуре. Результаты показали, что наблюдалась значительная усадка, особенно в месте соединения концевой пружины крюка. Это указывает на концентрацию напряжений, возможно, комбинацию остаточного напряжения от формовки и действия пружины. Был сделан вывод, что несмотря на наличие остаточного напряжения, разрушение произошло из-за комбинации растягивающего напряжения от действия пружины и присутствия кетонового растворителя.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Чой, Бён Хо; Вайнхолд, Джеффри; Reuschle, Дэвид; Капур, Мридула (2009). «Моделирование механизма разрушения HDPE, 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.
  2. ^ а б c d е Х. Ф. Марк. Энциклопедия науки и техники полимеров - 3-е изд. Том 12. John Miley & Sons Inc. 2004 г.
  3. ^ Генри, Л. Ф. (1974). «Прогнозирование и оценка восприимчивости стеклообразных термопластов к растрескиванию под воздействием окружающей среды». Полимерная инженерия и наука. 14 (3): 167–176. Дои:10.1002 / pen.760140304. ISSN  1548-2634.
  4. ^ Дж. Шейрс (2000). Состав и анализ разрушения полимеров. J. Wiley & Sons.
  5. ^ а б c Сянъян Ли. Стойкость нового сополимера бисфенола-А к растрескиванию под воздействием окружающей среды. Разложение и стабильность полимеров. Volume 90, Issue 1, October 2005, страницы 44-52
  6. ^ а б c Дж. С. Арнольд. Влияние диффузии на возникновение трещин под напряжением окружающей среды в ПММА. Журнал материаловедения 33 (1998) с. 5193-5204.
  7. ^ а б c «Пластмассовая инженерия - ноябрь / декабрь 2015 - Разрушение пластика из-за растрескивания под воздействием окружающей среды». read.nxtbook.com. Получено 23 мая 2019.
  8. ^ Мичиганский университет - инженерный колледж, Свойства пластмасс В архиве 6 мая 2008 г. Wayback Machine. По состоянию на 22 апреля 2008 г.
  9. ^ а б c d Kureleca, L .; Teeuwenb, M .; Schoffeleersb, H .; Дебликб Р. (2005). «Модуль деформационного упрочнения как мера сопротивления растрескиванию под воздействием окружающей среды полиэтилена высокой плотности». Полимер. 46 (17): 6369–6379. Дои:10.1016 / я.полимер.2005.05.061.
  10. ^ Чен, Ян (2014). «Исследования устойчивости смесей ПЭВП / ЭВА и ПЭНП / ЭВА к растрескиванию под воздействием окружающей среды». Журнал прикладной науки о полимерах. 131 (4): н / д. Дои:10.1002 / app.39880. ISSN  1097-4628.
  11. ^ Ward, A. L .; Лу, X .; Huang, Y .; 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.
  12. ^ Джар, Бен (2017). «НОВЫЙ МЕТОД ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ К НАПРЯЖЕНИЯМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (ESCR)». SPE ANTEC Анахайм 2017: 1994–1998. S2CID  13879793.
  13. ^ Андена, Лука; Кастеллани, Леонардо; Кастильони, Андреа; Мендони, Андреа; Каток, Марта; Саккетти, Франциско (1 марта 2013 г.). «Определение устойчивости полимеров к растрескиванию под воздействием окружающей среды: влияние истории нагружения и конфигурации испытаний». Инженерная механика разрушения. Разрушение полимеров, композитов и клеев. 101: 33–46. Дои:10.1016 / j.engfracmech.2012.09.004.
  14. ^ Камалудин, М.А .; Patel, Y .; Williams, J.G .; Блэкман, Б.Р.К. (2017). "Подход механики разрушения к характеристике поведения термопластов при растрескивании под воздействием окружающей среды". Теоретическая и прикладная механика разрушения. 92: 373–380. Дои:10.1016 / j.tafmec.2017.06.005. HDL:10044/1/49864.
  15. ^ Cheng, Joy J .; Polak, Maria A .; Пенлидис, Александр (1 июня 2008 г.). «Индикатор испытания на прочность при растяжении и стойкость к растрескиванию под воздействием окружающей среды». Журнал макромолекулярной науки, часть A. 45 (8): 599–611. Дои:10.1080/10601320802168728. ISSN  1060-1325. S2CID  137204431.
  16. ^ а б Эзрин, М. и Лавин, Г. Неожиданные и необычные отказы полимерных материалов. Анализ технических отказов, том 14, страницы 1153-1165, январь 2007 г.

дальнейшее чтение

  • Эзрин, Мейер, Руководство по выходу из строя пластмасс: причина и профилактика, Hanser-SPE (1996).
  • Райт, Дэвид С., Растрескивание пластмасс под воздействием окружающей среды РАПРА (2001).
  • Льюис, Питер Рис, Рейнольдс, К. и Гагг, К., Криминалистическая инженерия материалов: примеры из практики, CRC Press (2004)

внешняя ссылка