오존 균열

오존 공격에 의해 다양한 엘라스토머에 균열이 형성될 수 있으며, 취약한 고무의 특징적인 공격 형태를 오존 균열이라고 합니다.이 문제는 예전에는 특히 타이어에서 매우 흔했지만, 현재는 예방 조치 때문에 이러한 제품에서 거의 볼 수 없습니다.

그러나 연료 라인 및 고무 씰(예: 개스킷 및 O-링)과 같이 오존 공격이 발생할 가능성이 낮은 다른 많은 안전 중요 항목에서 발생합니다.균열 시작에는 미량의 가스만 필요하므로 이러한 항목도 이 문제에 굴복할 수 있습니다.

감수성 엘라스토머

공기 중 오존의 미세한 흔적은 고무 사슬의 이중 결합을 공격하며, 천연 고무, 폴리부타디엔, 스티렌 부타디엔 고무 및 니트릴 고무는 ^[1]열화에 가장 민감합니다.처음 세 가지 재료의 모든 반복 단위는 이중 결합을 가지고 있기 때문에 모든 단위는 오존에 의해 분해될 수 있습니다.니트릴 고무는 부타디엔과 아크릴로니트릴 단위의 공중합체이지만 아크릴로니트릴의 비율은 부타디엔보다 낮기 때문에 공격이 일어난다.부틸고무는 내성이 높지만 체인에 이중 결합이 적기 때문에 공격이 가능합니다.오존가스 농도에 따라 균열 밀도가 달라지는 노출면을 먼저 공격한다.농도가 높을수록 형성된 균열의 수가 많아진다.

내오존성 엘라스토머에는 EPDM, 바이톤과 같은 불화탄성체 및 네오프렌과 같은 폴리클로로프렌 고무가 포함됩니다.이중 결합이 사슬의 매우 작은 비율을 형성하기 때문에 공격이 덜 일어날 수 있으며, 이중 결합의 전자 밀도를 염화하면 이중 결합의 전자 밀도를 감소시켜 오존과 반응하는 경향을 낮출 수 있다.실리콘 고무, 하이팔론, 폴리우레탄도 오존에 내성이 있습니다.

균열의 형태

오존 균열이 장력을 받으면 제품에 형성되지만, 임계 균열이 매우 작습니다.균열은 항상 변형축과 직각을 이루므로 구부러진 고무 튜브의 원주 주변에 형성됩니다.이러한 균열은 외부 노출면에서 배관의 보어 안으로 균열이 커지기 때문에 연료 누출 및 화재가 발생할 수 있으므로 연료 배관에 발생할 때 매우 위험합니다.또한 에어 라인의 다이어프램 씰과 같이 씰이 공격을 받기 쉽습니다.이러한 씰은 공압 제어 장치의 작동에 중요한 경우가 많으며 균열이 씰을 관통하면 시스템의 모든 기능이 상실될 수 있습니다.니트릴 고무 씰은 오일 저항성 때문에 공압 시스템에 일반적으로 사용됩니다.그러나 오존 가스가 존재할 경우 예방 조치를 취하지 않으면 씰에 균열이 발생합니다.

오존 공격은 물개의 가장 민감한 부분, 특히 물개가 구부러질 때 변형률이 가장 높은 날카로운 모서리에서 발생합니다.모서리는 응력 농도를 나타내므로 씰의 다이어프램이 공기압에 의해 구부러질 때 장력이 최대가 됩니다.

왼쪽에 표시된 씰은 약 1ppm의 오존 흔적 때문에 고장났으며, 균열이 시작되면 가스가 존재하는 한 계속되었다.이 특정 장애로 인해 반도체 제조 라인의 생산이 중단되었습니다.에어라인에 효과적인 필터를 추가하고 매우 날카로운 모서리를 없애도록 디자인을 수정함으로써 문제를 해결했습니다.바이톤과 같은 오존 저항성 엘라스토머도 니트릴 고무의 대체물로 고려되었습니다.사진은 최대 해상도를 위해 ESEM을 사용하여 촬영되었습니다.

오존 분해

이중 결합과 오존 사이에서 발생하는 반응은 가스의 한 분자가 이중 결합과 반응할 때 오존 분해로 알려져 있습니다.

직접적인 결과는 오조니드가 형성되고, 오조니드는 빠르게 분해되어 이중 결합이 절단됩니다.이것은 폴리머가 공격을 받았을 때 사슬이 끊어지는 중요한 단계입니다.고분자의 강도는 사슬 분자량 또는 중합 정도에 따라 달라지며, 사슬 길이가 클수록 기계적 강도(인장 강도 등)가 커집니다.사슬을 끊으면 분자량이 급격히 감소해 강도가 전혀 없는 지점이 생겨 균열이 생긴다.새로 노출된 균열 표면에 추가 공격이 발생하며, 균열이 회로가 완성되어 제품이 분리되거나 고장날 때까지 균열이 꾸준히 성장합니다.씰이나 튜브의 경우 장치의 벽을 관통하면 고장이 발생합니다.

형성되는 카르보닐 말단 그룹은 보통 알데히드 또는 케톤으로, 카르본산으로 더 산화될 수 있습니다.최종 결과는 균열 표면의 고농도 원소 산소로, 환경 SEM(ESEM)의 에너지 분산 X선 분광법을 사용하여 검출할 수 있습니다.왼쪽 스펙트럼은 일정한 유황 피크에 비해 높은 산소 피크를 나타낸다.오른쪽 스펙트럼은 영향을 받지 않는 엘라스토머 표면 스펙트럼을 나타내며, 황 피크에 비해 산소 피크가 상대적으로 낮다.

예방

이 문제는 가황 전에 고무에 항전해제를 첨가함으로써 예방할 수 있습니다.자동차 타이어 사이드월에서 흔히 볼 수 있는 오존 균열은 이러한 첨가제를 사용한 덕분에 거의 볼 수 없다.일반적이고 저렴한 항존제는 표면에 피를 흘리며 보호층을 형성하는 왁스이지만, 다른 특수 화학 물질도 널리 사용된다.

반면에, 이 문제는 오존 공격이 불가능하다고 여겨지는 고무관이나 씰과 같은 보호되지 않은 제품에서 재발한다.불행하게도, 오존의 흔적은 가장 예상치 못한 상황에서 나타날 수 있다.오존에 강한 고무를 사용하는 것도 균열을 억제하는 방법입니다.예를 들어 EPDM 고무와 부틸 고무는 오존에 내성이 있습니다.

기능 상실이 심각한 문제를 일으킬 수 있는 고부가가치 기기의 경우 고장을 방지하기 위해 저비용 씰을 빈번히 교체할 수 있다.

오존가스는 예를 들어 불꽃이나 코로나 방전에 의해 방전 중에 발생한다.정전기는 단열재로 구성된 가동 부품이 있는 압축기와 같은 기계 내에 축적될 수 있습니다.이러한 압축기가 밀폐된 공압 시스템으로 가압 공기를 공급하면 시스템의 모든 씰이 오존 균열의 위험에 노출될 수 있습니다.

오존은 또한 광화학 스모그로 알려진 문제에서 도시와 도시의 공기 중에 존재하는 가솔린 증기와 같은 휘발성 유기 화합물 또는 휘발성 유기 화합물에 대한 햇빛의 작용에 의해 생성됩니다.형성된 오존은 추가 반응에 의해 파괴되기 전에 수 마일을 표류할 수 있다.

오존 오염을 테스트하기 위한 고무줄 사용

고무줄은 오존 ^[2]오염에 대한 전 세계적인 시험을 가능하게 하기 위해 적어도 공개된 가정 실험에 사용되어 왔다.'GORP'라는 제목의 글로벌 오존 고무 참가자는 자신의 집이나 직장 근처에서 오존 오염의 영향을 볼 수 있다.고무줄은 가용성과 저렴한 가격 때문에 선택되었다.이 실험에서는 두 개의 고무 밴드가 각각 두 개의 작은 물병을 매달기 위해 사용됩니다.하나는 실외에 매달려 햇빛과 비로부터 보호되고, 다른 하나는 실내에 매달려 있습니다.데이터 기록 시트는 셋업 뒤에 배치되어 벽에 테이프로 부착됩니다.그런 다음 사용자는 오존 오염으로 인해 천연 고무가 분해됨에 따라 물병의 높이 변화를 표시합니다.두 물병은 질량이 거의 같기 때문에 각 고무밴드에 가해지는 힘이 비슷하고 고무밴드에 가해지는 물병 상대연장비를 통해 각 고무밴드의 스프링정수를 비교한다.일반적으로 가정 실험자는 실외 설비에 비해 실내 제어 장치에 대한 손상이 상대적으로 적다고 봅니다.1~2주 후, 가정 실험자들은 고무 밴드를 작은 비닐 봉투에 밀봉하여 데이터 시트와 함께 GORP 연구원들에게 보냅니다.연구자들은 탄력성 손실과 데이터 및 위치를 비교 조사합니다.GORP 연구는 SARS-CoV-2 대유행 기간 동안 방역 기간 동안 오존 오염 감소에 대한 시험 수단으로 시행되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

• 루이스, 피터 리스, 레이놀즈, K, Gagg, C, 포렌식 머티리얼 엔지니어링: 케이스 스터디, CRC 프레스(2004)
• Lewis, Peter Rhys 법의학 폴리머 엔지니어링: 고분자 제품의 서비스 실패 이유, 제2판, Woodhead/Elsevier(2016).