Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Трещины (поверхностные трещины), вызванные ESC в питьевом стакане из ПММА

Растрескивание под воздействием окружающей среды ( ESC ) - одна 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 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 отказов пластиковых компонентов при 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 (T g ) из-за увеличенного свободного объема. Когда T g приближается, 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 жидких химикатов на полимеры имеет тенденцию ускорять процесс образования трещин , вызывая образование трещин при напряжениях, которые намного ниже, чем напряжение, вызывающее образование трещин на воздухе. [5] [6] Действие либо растягивающего напряжения, либо коррозионногоодной 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. В 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 разложения 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 напряжением может произойти из-за атаки реагента , который не повлияет на полимер в ненапряженном состоянии. Растрескивание под воздействием окружающей среды ускоряется из-за более высоких температур, циклических нагрузок, повышенных концентраций напряжений и усталости. [7]

Металлурги обычно используют термин « коррозионное растрескивание под напряжением» или « разрушение под воздействием окружающей среды», чтобы описать этот тип разрушения металлов.

Прогнозирование ESC [ править ]

Хотя феномен ESC известен уже несколько 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 нет 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, молекулярную массу и остаточное напряжение . Это также зависит от химической природы и концентрации жидкого реагента, температуры системы и скорости деформации .

Механизмы ESC [ править ]

Существует ряд мнений о том, как те или иные реагенты действуют на полимеры в условиях стресса. Поскольку ESC часто наблюдается в аморфных полимерах, а не в полукристаллических полимерах, теории, касающиеся 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. 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 состоит в том, что жидкость может снизить энергию, необходимую для создания новых поверхностей в полимере, за счет смачивания поверхности полимера и, следовательно, способствовать образованию пустот, что, как считается, очень важно на ранних стадиях образования крейзов. [2] ESC может происходить непрерывно или по частям, механизм пуска и останова.

Существует множество экспериментальных доказательств, подтверждающих вышеприведенные теории:

  • Как только в полимере образуется крейзинг, это создает легкий путь диффузии, так что воздействие окружающей среды может продолжаться, а процесс крейзинга может ускоряться.
  • Химическая совместимость между окружающей средой и полимером определяет количество, в котором окружающая среда может набухать и пластифицировать полимер. [2]
  • Эффект ESC уменьшается при высокой скорости роста трещины. 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 возникает 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 полимеров, 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 в полиэтилене [ править ]

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 силы сцепления, которые удерживают связывающие молекулы в кристаллитах, облегчая, таким образом, их «отрыв» от ламелей. [10] В результате растрескивание начинается при значениях напряжения ниже критического уровня напряжения материала.

В общем, 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]

Характеристика ESC [ править ]

Для оценки устойчивости полимера к растрескиванию под воздействием окружающей среды используется ряд различных методов. Распространенным методом в полимерной промышленности является использование зажимного приспособления Bergen , которое 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 тест Bell Telephone.где изогнутые полосы подвергаются воздействию представляющих интерес жидкостей в контролируемых условиях. Кроме того, были разработаны новые тесты, в которых оценивается время возникновения трещины при поперечной нагрузке и агрессивном растворителе (10% раствор Igepal CO-630). В этих методах используется индентор для двухосного напряжения материала, предотвращая концентрацию радиального напряжения. Напряженный полимер находится в агрессивном веществе, 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; первоначальные эксперименты показали, что это испытание дает результаты, эквивалентные ASTM D1693, но в гораздо более коротком временном масштабе. [12] Текущие исследования связаны с применением механики 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, поскольку они обеспечивают моментальный снимок во времени процесса распространения трещины. [1]

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

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. Чтобы преодолеть эти проблемы, SABIC разработала новый, более простой и быстрый метод 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 под одноосным растяжением, 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, тогда как кристаллические ламели подвергаются разрушению и разворачиваются, чтобы приспособиться к изменению деформации. Несущие цепи в аморфных доменах полиэтилена состоят из связывающих молекул и перепутанных цепей.[15]

В методе деформационного упрочнения рассчитывается наклон области деформационного упрочнения (выше естественной степени вытяжки) на кривых истинного напряжения-деформации 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. 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 [ править ]

Очевидным примером необходимости противодействия ESC в повседневной жизни является автомобильная промышленность , в которой 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] Выщелачивание пластификаторов из ПВХ также может вызывать ESC в течение длительного периода времени, например. Один из первых примеров проблемы касался ЭСК ПВД . Материал изначально использовался для изоляции электрических кабелей, и растрескивание произошло из-за взаимодействия изоляции с маслами. Решение проблемы заключается в увеличении молекулярной массы полимера. Тест на воздействие сильного моющего средства, напримерIgepal был разработан, чтобы предупреждать ESC.

Клавиша пианино SAN [ править ]

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 пианино 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 пианино. Через некоторое время после этой очистки в месте соединения конца крючка с пружиной произошел перелом. [16]

Чтобы определить причину поломки, 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, на 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]

См. Также [ править ]

  • Охрупчивание
  • Судебная инженерия
  • Судебная полимерная инженерия
  • Механика разрушения
  • Структурный отказ
  • Коррозионная инженерия
  • Ползучесть (деформация)

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Чой, Бёнг-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. DOI : 10.1002 / pen.21458 . ISSN  1548-2634 .
  2. ^ a b c d e Х. Ф. Марк. Энциклопедия науки и техники полимеров - 3-е изд. Том 12. John Miley & Sons Inc., 2004 г.
  3. ^ Генри, LF (1974). «Прогнозирование и оценка восприимчивости стеклообразных термопластов к растрескиванию под воздействием окружающей среды». Полимерная инженерия и наука . 14 (3): 167–176. DOI : 10.1002 / pen.760140304 . ISSN 1548-2634 . 
  4. ^ Дж. Шейрс (2000). Состав и анализ разрушения полимеров . J. Wiley & Sons.
  5. ^ а б в Сянъян Ли. Стойкость нового сополимера бисфенола-А к растрескиванию под воздействием окружающей среды. Разложение и стабильность полимеров. Том 90, выпуск 1, октябрь 2005 г., страницы 44-52
  6. ^ а б в Дж. К. Арнольд. Влияние диффузии на возникновение трещин под воздействием окружающей среды в ПММА. Журнал материаловедения 33 (1998) с. 5193-5204.
  7. ^ a b c «Пластмассовая инженерия - ноябрь / декабрь 2015 - Разрушение пластика из-за растрескивания под воздействием окружающей среды» . read.nxtbook.com . Дата обращения 23 мая 2019 .
  8. ↑ Мичиганский университет - Инженерный колледж, Свойства пластмасс. Архивировано 6 мая 2008 г. в Wayback Machine . По состоянию на 22 апреля 2008 г.
  9. ^ a b c d Kureleca, L .; Teeuwenb, M .; Schoffeleersb, H .; Дебликб 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 .
  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. DOI : 10.1002 / app.39880 . ISSN 1097-4628 . 
  11. ^ Уорд, Алабама; 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. DOI : 10.1016 / 0032-3861 (91) 90043-I . ISSN 0032-3861 . 
  12. ^ Джар, Бен (2017). «НОВЫЙ МЕТОД ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ К НАПРЯЖЕНИЯМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ». SPE ANTEC Anaheim 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. DOI : 10.1016 / j.engfracmech.2012.09.004 .
  14. ^ Камалудин, МА; Patel, Y .; Уильямс, JG; Блэкман, BRK (2017). «Подход механики разрушения к характеристике поведения термопластов при растрескивании под воздействием окружающей среды». Теоретическая и прикладная механика разрушения . 92 : 373–380. DOI : 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 на сопротивление растрескиванию под воздействием окружающей среды». Журнал высокомолекулярных науки, часть A . 45 (8): 599–611. DOI : 10.1080 / 10601320802168728 . ISSN 1060-1325 . S2CID 137204431 .  
  16. ^ a b Эзрин, М. и Лавин, Г. Неожиданные и необычные отказы полимерных материалов. Анализ технических отказов, том 14, страницы 1153-1165, январь 2007 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Эзрин, Мейер, Руководство по отказам пластмасс: причина и профилактика , Hanser-SPE (1996).
  • Райт, Дэвид К., Растрескивание пластмасс под воздействием окружающей среды RAPRA (2001).
  • Льюис, Питер Рис, Рейнольдс, К. и Гагг, К., Криминалистическая инженерия материалов: тематические исследования , CRC Press (2004)

Внешние ссылки [ править ]

  • Музей неудавшейся продукции
  • Журнал Engineering Failure Analysis
  • Судебная медицина и инженерия
  • Аналитические инструменты
  • Новый курс