Cao su thường phải chịu rất nhiều điều kiện làm việc khắc nghiệt trong các ứng dụng khác nhau có thể gây giảm cấp các tính chất của chúng với tốc độ và mức độ khác nhau. Các điều kiện đó bao gồm sự phơi nhiễm trong thời tiết, ozone, bức xạ, lửa, môi trường nhiệt độ cao và rất cao.
1. Giảm cấp thời tiết
Sự thay đổi tính chất của cao su ở ngoài trời sẽ rất khác nhau và tùy vào các điều kiện tiếp xúc. Ở một vài địa phương, cường độ ánh nắng và nhiệt độ cao là tác nhân gây lão hóa chính; trong khi ở các nơi khác, ozone mới là tác nhân chủ yếu. Các phép thử trong phòng thử nghiệm thường đo lường và bắt chước các điều kiện thời tiết một cách có kiểm soát, như trong ASTM D750.
Phép thử này hướng dẫn phơi nhiễm một mẫu thử ở trạng thái tự do hoặc kéo căng dưới ánh sáng UV thay vì ánh sáng mặt trời nhưng mặc khác nó tương tự ánh sáng mặt trời. Sự phơi nhiễm này làm lão hóa mẫu và gây ra các vết nứt trên bề mặt mẫu, dẫn đến làm giảm độ dãn đứt và độ bền kéo của mẫu.
Khi tiến hành phép thử, một mẫu tham khảo nên được thử song song để tạo ra các kết quả có ý nghĩa hơn. Để đánh giá tổng quát về giảm cấp thời tiết, các mẫu thử được phơi nhiễm trong các điều kiện khí hậu thay đổi.
2. Giảm cấp ozone
Loại chất khí không ổn định này thường hiện diện trong khí quyển với nồng độ cực kỳ thấp, khoảng vài phần trăm triệu (pphm). Mặc dù nồng độ thấp đó có thể gây ra các vết nứt trên cao su chịu ứng suất theo hướng vuông góc với hướng của ứng suất đặt vào. ASTM D1149 biểu diễn nồng độ ozone theo áp suất riêng phần ozone thay vì biểu diễn theo pphm, trong đó áp suất riêng phần của khí quyển là 50MPa. Việc sử dụng áp suất riêng phần của ozone có tính đến sự dao động của áp suất khí quyển.
Điều kiện có hại nhất chỉ xuất hiện ở trên mức áp suất tới hạn ( khoảng 0.06MPa hoặc 8.7psi), tương đương với một biến dạng tới hạn 3%. Các vết nứt riêng biệt rộng và sâu chỉ hình thành khi trên mức ứng suất tới hạn và chúng có nhiều khả năng gây ra hư hỏng sản phẩm so với các vết nứt nhỏ. Tăng ứng suất hoặc biến dạng thiên về hình thành các vết nứt nhỏ và thường xuyên hơn.
Các vết nứt do ozone thì không thể thâm nhập xa vào các bộ phận cao su lớn như các gối cầu, do chúng thường gặp phải bến dạng nén hơn là các biến dạng kéo căng. Do đó, sự nứt do ozone ít là vấn đề đối với các chi tiết cao su được dùng trong ứng dụng ép nén. Tuy nhiên, thực hành tốt nhất khi các vết nứt do ozone này không đẹp mắt và có thể khơi mào cho sự phát triển các vết nứt lớn có thể làm hư hỏng bộ phận là sử dụng các loại sáp và/ hoặc chất phòng lão để bảo vệ cho các hợp chất cao su.
3.Giảm cấp do bức xạ năng lượng cao
Cao su sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân và các tàu ngầm hạt nhận đòi hỏi tính kháng bức xạ gamma vốn có thể làm tăng độ cứng và mô đun. Đối với các cao su được khâu mạch mạnh trong suốt quá tình chiếu xạ, một liều bức xạ 100 megarad gấp đôi hoặc gấp ba lần giá trị S-100 ban đầu. ASTM D1672 đo tính kháng bức xạ năng lượng cao của các polymer. Một dây cáp năng lượng hạt nhân thì đòi hỏi cả tính kháng cháy lẫn bức xạ. Các tính chất của cách nhiệt EPDM được dùng trong một dây cáp chỉ thay đổi một ít sau 107 rads. Dây cáp cho thấy các tính kháng cháy tốt khi được thử bằng các phép thử lửa.
Tính kháng của các dây điện và dây cáp công nghiệp cũng được quan tâm. Một đồ thị Arrhenius được dùng để thu dữ liệu thích hợp với đặc tính của các dây điện dẻo ở 1500C. Sự cách điện dựa trên các chất đàn hồi mới như CPE, EVA, EPDM và TPE/ TPV đã thay thế cho lượng lớn các cách điện dựa trên NR, SBR, IIR và CR. Các chất đàn hồi mới hơn cung cấp sự cải thiện tính chất kháng hóa chất, điện, cơ, nhiệt và thời tiết.
Ứng suất và sự lão hóa có thể gây ra nứt các cách điện. Một phụ gia tự hàn kín dành cho dây điện có chứa các tác chất dưới dạng microcapsule. Sự nứt sẽ làm các microcapsule giải phóng các tác chất này và giúp hàn kín các dây điện hoặc dây cáp.
4. Giảm cấp do nhiệt
Các mẫu thử cao su và các chi tiết thường lão hóa ở nhiệt độ cao làm tăng tốc độ giảm cấp, đo đó làm giảm thời gian thử nghiệm. Nhiệt độ được lựa chọn dựa trên các yếu tố sau:
- Lượng oxy sẵn có.
- Kích thước và hình dạng mẫu.
- Mạch chính của cao su ( bão hòa hoay chưa bão hòa).
- Sự gia tốc không khí dọc bề mặt cao su trong quá trình lão hóa).
Do các yếu tố đó, các phép thử nên bao gồm một mẫu kiểm soát với các tính năng đã biết. Hai phép thử thường được dùng lão hóa là ASTM D573 và ASTM 865. D 573 so sánh sự kháng giảm cấp của các chất lưu hóa khác nhau được gia nhiệt trong không khí ở áp suất khí quyển. Sự thay đổi tính chất theo thời gian như độ bền kéo và độ dãn dài được xác định. Một vấn đề mang tính khuynh hướng của D573 là sự chuyển dời của các chất bay hơi ( đặc biệt là các chất phòng lão) ra khỏi chất lưu hóa trong suốt quá trình lão hóa.
Một vấn đề khác là thiếu kiểm soát cho tất cả các yếu tố lão hóa trong quy trình lão hóa bằng tủ nhiệt. Kiểm soát gia tốc không khí qua mẫu thử rất quan trọng, do nó tác động lên chiều dày lớp biên giới tiếp xúc không khí và do đó tác động lên tốc độ lão hóa. ASTM D865 tránh được vấn đề này bắng cách lão hóa từng mẫu trong các vật chứa riêng, mỗi mẫu có một hệ thống lưu thông không khí riêng. Kết luận vững chắc có thể được đưa ra từ pháp thử này để ngăn chặn các chất bay hơi chuyển từ mẫu này sang mẫu khác. Độ ổn định của cao su ảnh hưởng lớn đến việc lựa chon nhiệt độ thử và nhiệt độ điển hình cho NBR và SBR là 1000C.
Tài liệu tham khảo: John G. Sommer , Engineered Rubber Products Introduction to Design, Manufacture and Testing, Hanser Publishers, Trang 73-75.
(tth-vlab-caosuviet)
 |
 |
| Sản phẩm cao su chịu nhiệt độ cao |
Tấm Cao su Việt làm việc trong môi trường
thời tiết khắc nghiệt |