Растрескивание озона - Ozone cracking

Озон растрескивается натуральная резина трубка

Трещины могут образовываться в самых разных эластомеры к озон атака, а характерная форма атаки уязвимых каучуков известна как растрескивание озона. Раньше проблема была очень распространенной, особенно в шины, но сейчас редко встречается в этих продуктах из-за профилактических мер.

Тем не менее, это происходит во многих других важных для безопасности объектах, таких как топливопроводы и резина уплотнения, такие как прокладки и Уплотнительные кольца, где озоновая атака считается маловероятной. Для инициирования крекинга необходимо только небольшое количество газа, поэтому эти элементы также могут стать причиной проблемы.

Чувствительные эластомеры

Крошечные следы озона в воздухе атакуют двойные связи в резиновых цепях, с натуральная резина, полибутадиен, стирол-бутадиен резина и нитрильный каучук будучи наиболее чувствительным к деградации.^[1] Каждый повторять единицу в первых трех материалах есть двойная связь, поэтому каждый блок может быть разрушен озоном. Нитриловый каучук это сополимер из бутадиен и акрилонитрил ед., но доля акрилонитрила обычно ниже, чем бутадиена, поэтому происходит атака. Бутилкаучук более устойчив, но все еще имеет небольшое количество двойных связей в своих цепях, поэтому атака возможна. В первую очередь подвергаются воздействию открытые поверхности, причем плотность трещин изменяется в зависимости от концентрации газообразного озона. Чем выше концентрация, тем больше образовывается трещин.

Озоностойкие эластомеры включают: EPDM, фторэластомеры, такие как Витон и полихлоропрен каучуки вроде Неопрен. Атака менее вероятна, потому что двойные связи образуют очень небольшую часть цепей, а с последними хлорирование снижает электронную плотность в двойных связях, тем самым снижая их склонность к реакции с озоном. Резинка, Hypalon и полиуретаны также устойчивы к озону.

Форма растрескивания

Макрофотография растрескивания озона NBR (Нитрилбутадиеновый каучук) разделительная диафрагма

Озоновые трещины образуются в изделиях при растяжении, но критическая деформация очень мала. Трещины всегда ориентированы под прямым углом к оси деформации, поэтому образуются по окружности в согнутой резиновой трубке. Такие трещины очень опасны, когда они возникают в топливных трубках, потому что трещины будут прорастать с внешних открытых поверхностей в отверстие трубы, что может привести к утечке топлива и возгоранию. Уплотнения также подвержены атакам, таким как мембранные разделители в воздушных линиях. Такие уплотнения часто имеют решающее значение для работы пневматический контролирует, и если трещина проникает через уплотнение, все функции системы могут быть потеряны. Нитриловый каучук уплотнения обычно используются в пневматических системах из-за их маслостойкости. Однако если озон присутствует газ, в уплотнениях могут образоваться трещины, если не принять профилактических мер.

Сканирующий электронный микроскоп для окружающей среды изображение озона трещины в NBR разделительная диафрагма образуется на острых углах уплотнения

Воздействие озона будет происходить в наиболее чувствительных зонах уплотнения, особенно в острых углах, где напряжение является наибольшим, когда уплотнение изгибается при использовании. Углы представляют концентрации напряжений, поэтому напряжение достигает максимума, когда диафрагма уплотнения изгибается под давлением воздуха.

Крупный план озоновой трещины (с использованием ESEM ) в NBR разделительная диафрагма

Печать, показанная слева, вышла из строя из-за следов озона примерно в 1 час. промилле, и, как только начался крекинг, он продолжался до тех пор, пока присутствовал газ. Этот конкретный сбой привел к потере производства на полупроводник производственная линия. Проблема была решена путем добавления эффективных фильтров в воздуховод и изменения конструкции, чтобы исключить очень острые углы. Озоностойкий эластомер, такой как Витон также рассматривался как замена Нитриловый каучук. Фотографии были сделаны с использованием ESEM для максимального разрешения.

Озонолиз

Реакция, происходящая между двойными связями и озоном, известна как озонолиз когда одна молекула газа реагирует с двойной связью:

Непосредственный результат - формирование озонид, который затем быстро разлагается, так что двойная связь разрывается. Это критический шаг при обрыве цепи, когда полимеры подвергаются атаке. Прочность полимеров зависит от цепи молекулярный вес или степень полимеризации, чем больше длина цепи, тем выше механическая прочность (например, предел прочности ). При разрыве цепи молекулярная масса быстро падает, и наступает момент, когда она совсем не прочна, и образуется трещина. Дальнейшее разрушение происходит на только что обнаженных поверхностях трещин, и трещина неуклонно растет, пока не замкнет цепь, и продукт не разделится или не сломается. В случае уплотнения или трубки выход из строя происходит при пробивании стенки устройства.

EDX-спектр поверхности трещины

EDX спектр неповрежденной резиновой поверхности

Образующиеся концевые карбонильные группы обычно представляют собой альдегиды или кетоны, который может окисляться в дальнейшем до карбоновые кислоты. Конечным результатом является высокая концентрация элементарного кислорода на поверхности трещины, которую можно обнаружить с помощью Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия в экологическом SEM, или ESEM. Спектр слева показывает пик с высоким содержанием кислорода по сравнению с постоянным сера вершина горы. Спектр справа показывает спектр поверхности неповрежденного эластомера с относительно низким пиком кислорода по сравнению с пиком серы.

Профилактика

Проблему можно предотвратить, добавив антиозонанты к резине перед вулканизация. Озоновые трещины часто наблюдались в автомобилях. шина боковины, но теперь их редко можно увидеть благодаря использованию этих добавок. Обычная и низкая стоимость антиозонант представляет собой воск, который растекается по поверхности и образует защитный слой, но также широко используются другие специальные химические вещества.

С другой стороны, проблема действительно повторяется в незащищенных изделиях, таких как резиновые трубки и уплотнения, где воздействие озона считается невозможным. К сожалению, следы озона могут появиться в самых неожиданных ситуациях. Использование озоностойких каучуков - еще один способ предотвращения растрескивания. Резина EPDM и бутилкаучук устойчивы к озону, например.

Для дорогостоящего оборудования, где потеря функции может вызвать серьезные проблемы, недорогие уплотнения можно заменять через частые промежутки времени, чтобы предотвратить выход из строя.

Озон образуется во время электрический разряд к искрение или коронный разряд Например. Статичное электричество может накапливаться внутри таких машин, как компрессоры с движущимися частями, изготовленными из изоляционных материалов. Если эти компрессоры подают сжатый воздух в закрытую пневматическую систему, тогда все уплотнения в системе могут подвергнуться риску растрескивания озоном.

Озон также образуется под действием Солнечный свет на летучие органические соединения или ЛОС, такие как пары бензина, присутствующие в воздухе городов, в проблеме, известной как фотохимический смог. Образовавшийся озон может дрейфовать на много миль, прежде чем он будет разрушен в результате дальнейших реакций.

Использование резинок для проверки на загрязнение озоном

Резиновая лента повреждена озоновым загрязнением

Резиновые ленты использовались, по крайней мере, в разрекламированных домашних экспериментах, позволяющих проводить глобальные испытания загрязнения озоном.^[2] Под названием GORP (Глобальный участник по озоновому каучуку) пользователи могут наблюдать последствия загрязнения озоном вблизи своих домов или мест работы. Резинки были выбраны из-за их доступности и невысокой стоимости. В эксперименте две резинки используются для подвешивания двух маленьких бутылочек с водой. Один подвешен на открытом воздухе, защищен от солнца и дождя, а другой - в помещении. Лист регистрации данных помещается позади установки и приклеивается к стене. Затем пользователь отмечает изменения высоты бутылок с водой по мере разложения натурального каучука из-за загрязнения озоном. Поскольку обе бутылки с водой имеют почти одинаковую массу, сила, действующая на каждую резиновую ленту, одинакова, и жесткость пружины каждой резиновой ленты сравнивается через соотношение относительных удлинений бутылки с водой на резиновых ленте. Обычно домашний экспериментатор видит относительно небольшое повреждение внутреннего блока управления по сравнению с установкой на открытом воздухе. Через неделю или две домашние экспериментаторы запечатывают обе резинки в небольшой пластиковый пакет и отправляют их вместе со своими техническими данными исследователям GORP. Исследователи изучают потерю эластичности в зависимости от данных и местоположения. Изначально исследование GORP было проведено во время эпидемии SARS-CoV-2 как средство проверки снижения загрязнения озоном во время карантина.

Смотрите также

внешние ссылки

[1] Layer, R. W., & Lattimer, R. P. (1990). Защита резины от озона. Химия и технология резины, 63(3), 426-450.

[2] Wofsey, Майк. "Вы вдыхаете озоновое загрязнение?". www.instructables.com. Получено 2020-04-24.

[1]

[2]