Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Озон трещин в натуральном каучуке НКТЕ

В результате воздействия озона во многих различных эластомерах могут образовываться трещины , и характерная форма воздействия на уязвимые каучуки известна как озоновое растрескивание . Раньше проблема была очень распространенной, особенно в шинах , но теперь редко встречается в этих продуктах из-за профилактических мер.

Тем не менее, это происходит во многих других важных для безопасности элементах, таких как топливопроводы и резиновые уплотнения , такие как прокладки и уплотнительные кольца , где воздействие озона считается маловероятным. Для инициирования крекинга необходимо только небольшое количество газа, поэтому эти элементы также могут стать причиной проблемы.

Чувствительные эластомеры [ править ]

Крошечные следы озона в воздухе разрушают двойные связи в цепях каучука, причем натуральный каучук , полибутадиен , стирол-бутадиеновый каучук и нитрильный каучук наиболее чувствительны к разложению. [1] Каждая повторяющаяся единица в первых трех материалах имеет двойную связь , поэтому каждая единица может разлагаться озоном. Нитрильный каучук представляет собой сополимер из бутадиена и акрилонитрил единица, но доля акрилонитрила, как правило , ниже , чем бутадиен, так происходит атака. Бутилкаучукболее 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 Viton, и полихлоропреновые каучуки, такие как Neoprene . 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. Силиконовый каучук , гипалон и полиуретаны также устойчивы к озону.

Форма взлома [ править ]

Макрофотография озонового растрескивания в разделительной диафрагме из NBR (нитрилбутадиенового каучука)

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 трубопроводах, потому что трещины будут прорастать с внешних открытых поверхностей в отверстие трубы, что может привести к утечке топлива и возгоранию. Уплотнения также подвержены атакам, например, мембранные разделители в воздушных линиях. Такие уплотнения часто имеют решающее значение для работы пневматического управления, и если трещина проникает через уплотнение, все функции системы могут быть потеряны. Уплотнения из нитриловой резины обычно используются в пневматических системах из-за их маслостойкости. Однако если озон присутствует газ, в уплотнениях могут образоваться трещины, если не принять профилактических мер.

Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, озоновых трещин в разделительной диафрагме из NBR, образовавшихся 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 собой концентрации напряжений , поэтому напряжение достигает максимума, когда диафрагма уплотнения изгибается под давлением воздуха.

Крупный план озоновой трещины (с использованием ESEM ) в разделительной диафрагме из NBR

Уплотнение, показанное слева, вышло из строя из-за следов озона с концентрацией около 1 ppm , и после того, как началось растрескивание, оно продолжалось, пока присутствовал газ. Этот конкретный сбой привел к остановке производства на линии по производству полупроводников . 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 нитрильного каучука . Фотографии были сделаны с использованием ESEM для максимального разрешения.

Озонолиз [ править ]

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, так что двойная связь разрывается. Это критический шаг при обрыве цепи, когда полимеры подвергаются атаке. Прочность полимеров зависит от молекулярной массы цепи или степени полимеризации , чем больше длина цепи, тем выше механическая прочность (например, предел прочности на разрыв).). 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 , которые могут дополнительно окисляться до карбоновых кислот . Конечным результатом является высокая концентрация элементарного кислорода на поверхности трещины, которую можно обнаружить с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии в окружающей среде SEM или ESEM . Спектр слева показывает пик с высоким содержанием кислорода по сравнению с постоянным пиком серы . Спектр справа показывает спектр поверхности неповрежденного эластомера с относительно низким пиком кислорода по сравнению с пиком серы.

Профилактика [ править ]

Проблему можно предотвратить, добавив в резину антиозонанты перед вулканизацией . Озоновые трещины обычно наблюдались на боковинах автомобильных шин , но теперь они появляются редко благодаря использованию этих добавок. Обычным и недорогим антиозонантом является 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. Например, каучук EPDM и бутилкаучук устойчивы к озону.

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 электрического разряда, например, за счет искрообразования или коронного разряда . Статическое электричество может накапливаться в машинах, таких как компрессоры, движущиеся части которых изготовлены 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 солнечного света на летучие органические соединения или ЛОС, такие как пары бензина, присутствующие в воздухе городов, в связи с проблемой, 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 [ править ]

Резиновая лента повреждена озоновым загрязнением

Резиновые ленты использовались, по крайней мере, в разрекламированных домашних экспериментах, чтобы обеспечить возможность глобального тестирования загрязнения озоном. [2]Названный GORP, от Global Ozone Rubber Participant, пользователи могут видеть 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. Обычнодомашний экспериментатор видит относительно небольшой ущерб для управления в помещении 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.Изначально исследование GORP было проведено во время эпидемии SARS-CoV-2 как средство проверки снижения загрязнения озоном во время карантина.Изначально исследование GORP было проведено во время эпидемии SARS-CoV-2 как средство проверки снижения загрязнения озоном во время карантина.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Layer, RW, & Lattimer, RP (1990). Защита резины от озона. Химия и технология резины , 63 (3), 426-450.
  2. ^ Wofsey, Майк. "Вы вдыхаете озоновое загрязнение?" . www.instructables.com . Проверено 24 апреля 2020 .
  • Льюис, Питер Рис, Рейнольдс, К., Гагг, К., Судебная инженерия материалов: тематические исследования , CRC Press (2004).
  • Льюис, Питер Рис Криминалистическая полимерная инженерия: Почему полимерные продукты не работают , 2-е издание, Woodhead / Elsevier (2016).

Внешние ссылки [ править ]

  • Боковые трещины
  • Криминалистическая инженерия
  • Программное обеспечение с открытым исходным кодом для моделирования срока службы эластомеров
  • Коммерческое программное обеспечение для прогнозирования срока службы эластомеров