Kraking ozonowy - Ozone cracking
Pęknięcia mogą powstawać w wielu różnych elastomerach w wyniku ataku ozonu , a charakterystyczna forma ataku wrażliwych gum jest znana jako pękanie ozonu . Wcześniej problem był bardzo powszechny, zwłaszcza w oponach , ale obecnie jest rzadko spotykany w tych produktach ze względu na środki zapobiegawcze.
Jednak występuje w wielu innych elementach krytycznych dla bezpieczeństwa, takich jak przewody paliwowe i uszczelki gumowe , takie jak uszczelki i o-ringi , w przypadku których atak ozonu jest uważany za mało prawdopodobny. Do zainicjowania pękania potrzebna jest tylko śladowa ilość gazu, więc te elementy również mogą ulec problemowi.
Wrażliwe elastomery
Drobne ślady ozonu w powietrzu zaatakują podwójne wiązania w łańcuchach gumowych, przy czym kauczuk naturalny , polibutadien , kauczuk butadienowo-styrenowy i kauczuk nitrylowy są najbardziej wrażliwe na degradację. Każda powtarzalna jednostka w pierwszych trzech materiałach ma podwójne wiązanie , więc każda jednostka może ulec degradacji przez ozon. Kauczuk nitrylowy jest kopolimerem jednostek butadienu i akrylonitrylu , ale udział akrylonitrylu jest zwykle niższy niż butadienu, więc dochodzi do ataku. Kauczuk butylowy jest bardziej odporny, ale nadal ma niewielką liczbę podwójnych wiązań w swoich łańcuchach, więc atak jest możliwy. Odsłonięte powierzchnie są atakowane jako pierwsze, gęstość pęknięć zmienia się wraz ze stężeniem ozonu. Im wyższe stężenie, tym większa liczba powstałych pęknięć.
Elastomery odporne na działanie ozonu obejmują EPDM , fluoroelastomery, takie jak Viton i kauczuki polichloroprenowe, takie jak neopren . Atak jest mniej prawdopodobny, ponieważ wiązania podwójne tworzą bardzo małą część łańcuchów, a przy tym ostatnim chlorowanie zmniejsza gęstość elektronów w wiązaniach podwójnych, zmniejszając w ten sposób ich skłonność do reagowania z ozonem. Guma silikonowa , hypalon i poliuretany są również odporne na działanie ozonu.
Forma pękania
W produktach poddawanych naprężeniom powstają pęknięcia ozonu, ale obciążenie krytyczne jest bardzo małe. Pęknięcia są zawsze zorientowane prostopadle do osi odkształcenia, więc utworzą się wokół obwodu w wygiętej gumowej rurce. Takie pęknięcia są bardzo niebezpieczne, gdy występują w przewodach paliwowych, ponieważ pęknięcia będą rosnąć od zewnętrznych odsłoniętych powierzchni do otworu rury, co może spowodować wyciek paliwa i pożar. Na atak narażone są również uszczelnienia , takie jak separatory membranowe w przewodach powietrznych. Takie uszczelnienia są często krytyczne dla działania sterowania pneumatycznego , a jeśli pęknięcie przejdzie przez uszczelkę, wszystkie funkcje systemu mogą zostać utracone. Uszczelki z kauczuku nitrylowego są powszechnie stosowane w układach pneumatycznych ze względu na ich odporność na olej. Jednakże, jeżeli ozon gaz jest obecny, pęknięcia wystąpią w plomb ile nie zostaną podjęte środki zapobiegawcze.
Atak ozonu wystąpi w najbardziej wrażliwych strefach uszczelnienia, szczególnie w ostrych narożnikach, gdzie obciążenie jest największe, gdy uszczelka zgina się podczas użytkowania. Narożniki reprezentują koncentrację naprężeń , więc napięcie jest maksymalne, gdy membrana uszczelki jest zginana pod ciśnieniem powietrza.
Pieczęć pokazana po lewej stronie pękła od śladów ozonu przy około 1 ppm , a gdy zaczęło się pękanie, trwało tak długo, jak długo obecny był gaz. Ta szczególna awaria doprowadziła do utraty produkcji na linii produkcyjnej półprzewodników . Problem został rozwiązany poprzez dodanie skutecznych filtrów w przewodzie powietrza i modyfikację konstrukcji w celu wyeliminowania bardzo ostrych narożników. Jako zamiennik kauczuku nitrylowego rozważano również odporny na ozon elastomer, taki jak Viton . Zdjęcia zostały wykonane przy użyciu ESEM dla maksymalnej rozdzielczości.
Ozonoliza
Reakcja zachodząca między wiązaniami podwójnymi a ozonem jest znana jako ozonoliza, gdy jedna cząsteczka gazu reaguje z wiązaniem podwójnym:
Bezpośrednim skutkiem jest utworzenie ozonku , który następnie szybko się rozkłada, tak że podwójne wiązanie zostaje rozerwane. Jest to krytyczny etap zrywania łańcucha, gdy atakowane są polimery. Wytrzymałość polimerów zależy od masy cząsteczkowej łańcucha lub stopnia polimeryzacji , im większa długość łańcucha, tym większa wytrzymałość mechaniczna (np. Wytrzymałość na rozciąganie ). Podczas rozcinania łańcucha masa cząsteczkowa gwałtownie spada i dochodzi do momentu, w którym ma on w ogóle małą wytrzymałość i powstaje pęknięcie. Dalszy atak następuje na świeżo odsłoniętych powierzchniach pęknięć, a pęknięcie rośnie równomiernie, aż zakończy obwód i produkt rozdzieli się lub ulegnie awarii. W przypadku uszczelki lub rurki uszkodzenie następuje po przebiciu ściany urządzenia.
Powstające karbonylowe grupy końcowe to zwykle aldehydy lub ketony , które mogą dalej utleniać się do kwasów karboksylowych . Ostatecznym wynikiem jest wysokie stężenie pierwiastkowego tlenu na powierzchni pęknięć, które można wykryć za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii w środowiskowym SEM lub ESEM . Widmo po lewej stronie pokazuje wysoki pik tlenu w porównaniu ze stałym pikiem siarki . Widmo po prawej stronie pokazuje niezmienione widmo powierzchni elastomeru, ze stosunkowo niskim pikiem tlenu w porównaniu z pikiem siarki.
Zapobieganie
Problemowi można zapobiec, dodając antyozonanty do gumy przed wulkanizacją . Pęknięcia ozonu były powszechnie obserwowane na ścianach bocznych opon samochodowych , ale obecnie są rzadko widoczne dzięki zastosowaniu tych dodatków. Popularnym i niedrogim antyozonantem jest wosk, który wypływa na powierzchnię i tworzy warstwę ochronną, ale szeroko stosowane są również inne specjalistyczne środki chemiczne.
Z drugiej strony problem powtarza się w przypadku niezabezpieczonych produktów, takich jak gumowe rurki i uszczelki, w przypadku których uważa się, że atak ozonu jest niemożliwy. Niestety ślady ozonu mogą pojawić się w najbardziej nieoczekiwanych sytuacjach. Stosowanie gum odpornych na działanie ozonu to kolejny sposób na zahamowanie pękania. Na przykład guma EPDM i kauczuk butylowy są odporne na działanie ozonu.
W przypadku sprzętu o wysokiej wartości, w którym utrata funkcji może spowodować poważne problemy, tanie uszczelnienia mogą być wymieniane w częstych odstępach czasu, aby wykluczyć awarię.
Ozon jest wytwarzany podczas wyładowania elektrycznego, na przykład przez iskrzenie lub wyładowanie koronowe . Elektryczność statyczna może gromadzić się w maszynach, takich jak sprężarki z ruchomymi częściami wykonanymi z materiałów izolacyjnych. Jeśli te sprężarki dostarczają sprężone powietrze do zamkniętego układu pneumatycznego, wówczas wszystkie uszczelnienia w systemie mogą być narażone na pękanie ozonu.
Ozon jest również wytwarzany przez działanie promieni słonecznych na lotne związki organiczne lub LZO, takie jak opary benzyny obecne w powietrzu miast, w problemie znanym jako smog fotochemiczny . Utworzony ozon może dryfować wiele mil, zanim zostanie zniszczony przez dalsze reakcje.
Stosowanie gumek do badania zanieczyszczenia ozonem
Gumki były używane przynajmniej w głośnych eksperymentach domowych, aby umożliwić globalne badanie zanieczyszczenia ozonem. Zatytułowany GORP, dla Global Ozone Rubber Participant, użytkownicy mogą zobaczyć skutki zanieczyszczenia ozonem w pobliżu swoich domów lub miejsc pracy. Opaski gumowe wybrano ze względu na ich dostępność i niski koszt. W eksperymencie dwie gumki są używane do zawieszenia na każdej z nich dwóch małych butelek z wodą. Jeden jest zawieszony na zewnątrz, chroniony przed słońcem i deszczem, a drugi w pomieszczeniu. Arkusz danych jest umieszczony za konfiguracją i przyklejony do ściany. Następnie użytkownik zaznacza zmiany wysokości butelek z wodą, ponieważ kauczuk naturalny ulega degradacji w wyniku zanieczyszczenia ozonem. Ponieważ obie butelki z wodą mają prawie taką samą masę, siła działająca na każdą gumkę jest podobna, a stała sprężystości każdej gumki jest porównywana poprzez stosunek względnych wydłużeń butelki na gumki. Zazwyczaj eksperymentator domowy widzi stosunkowo niewielkie uszkodzenia kontroli wewnętrznej w porównaniu z konfiguracją zewnętrzną. Po tygodniu lub dwóch domowi eksperymentatorzy zamykają obie gumki w małej plastikowej torbie i wysyłają je wraz z arkuszami danych do badaczy GORP. Naukowcy badają utratę elastyczności w porównaniu z danymi i lokalizacją. Badanie GORP zostało pierwotnie wdrożone podczas epidemii SARS-CoV-2 jako środek do testowania zmniejszonego zanieczyszczenia ozonem podczas kwarantanny.
Zobacz też
Bibliografia
- Lewis, Peter Rhys, Reynolds, K, Gagg, C, Forensic Materials Engineering: Case studies , CRC Press (2004).
- Lewis, Peter Rhys Forensic Polymer Engineering: Dlaczego produkty polimerowe nie działają , wydanie 2, Woodhead / Elsevier (2016).