Se pueden formar grietas en muchos elastómeros diferentes por el ataque del ozono , y la forma característica de ataque de los cauchos vulnerables se conoce como agrietamiento por ozono . Anteriormente, el problema era muy común, especialmente en los neumáticos , pero ahora rara vez se ve en esos productos debido a las medidas preventivas.
Sin embargo, ocurre en muchos otros elementos críticos para la seguridad, como líneas de combustible y sellos de goma , como juntas y juntas tóricas , donde se considera poco probable el ataque de ozono. Solo se necesita una pequeña cantidad de gas para iniciar el agrietamiento, por lo que estos elementos también pueden sucumbir al problema.
Elastómeros susceptibles
Pequeñas trazas de ozono en el aire atacarán los enlaces dobles en las cadenas de caucho, siendo el caucho natural , polibutadieno , caucho de estireno-butadieno y caucho de nitrilo los más sensibles a la degradación. [1] Cada unidad repetida en los primeros tres materiales tiene un doble enlace , por lo que cada unidad puede ser degradada por el ozono. El caucho de nitrilo es un copolímero de unidades de butadieno y acrilonitrilo , pero la proporción de acrilonitrilo suele ser menor que la del butadieno, por lo que se produce el ataque. El caucho butílico es más resistente pero aún tiene un pequeño número de dobles enlaces en sus cadenas, por lo que es posible el ataque. Las superficies expuestas son atacadas primero, la densidad de las grietas varía con la concentración de gas ozono. Cuanto mayor sea la concentración, mayor será el número de grietas formadas.
Los elastómeros resistentes al ozono incluyen EPDM , fluoroelastómeros como Viton y cauchos de policloropreno como el neopreno . El ataque es menos probable porque los dobles enlaces forman una proporción muy pequeña de las cadenas, y con estas últimas, la cloración reduce la densidad de electrones en los dobles enlaces, disminuyendo así su propensión a reaccionar con el ozono. El caucho de silicona , el Hypalon y los poliuretanos también son resistentes al ozono.
Forma de agrietamiento
Se forman grietas de ozono en los productos bajo tensión, pero la tensión crítica es muy pequeña. Las grietas siempre están orientadas en ángulo recto con el eje de deformación, por lo que se formarán alrededor de la circunferencia en un tubo de goma doblado. Tales grietas son muy peligrosas cuando ocurren en las tuberías de combustible porque las grietas crecerán desde las superficies exteriores expuestas hacia el orificio de la tubería, por lo que pueden producirse fugas de combustible e incendios. Los sellos también son susceptibles a ataques, como los sellos de diafragma en las líneas de aire. Dichos sellos a menudo son críticos para el funcionamiento de los controles neumáticos , y si una grieta penetra en el sello, se pueden perder todas las funciones del sistema. Los sellos de caucho de nitrilo se usan comúnmente en sistemas neumáticos debido a su resistencia al aceite. Sin embargo, si hay gas ozono presente, se producirán grietas en los sellos a menos que se tomen medidas preventivas.
El ataque de ozono ocurrirá en las zonas más sensibles de un sello, especialmente en las esquinas afiladas donde la tensión es mayor cuando el sello se dobla durante el uso. Las esquinas representan concentraciones de tensión , por lo que la tensión es máxima cuando el diafragma del sello se dobla bajo presión de aire.
El sello que se muestra a la izquierda falló debido a los rastros de ozono en aproximadamente 1 ppm , y una vez que comenzó el agrietamiento, continuó mientras el gas estuviera presente. Esta falla en particular llevó a la pérdida de producción en una línea de fabricación de semiconductores . El problema se resolvió agregando filtros efectivos en la línea de aire y modificando el diseño para eliminar las esquinas muy afiladas. También se consideró un elastómero resistente al ozono como el Viton como reemplazo del caucho de nitrilo . Las imágenes fueron tomadas usando ESEM para máxima resolución.
Ozonólisis
La reacción que ocurre entre los dobles enlaces y el ozono se conoce como ozonólisis cuando una molécula del gas reacciona con el doble enlace:
El resultado inmediato es la formación de un ozonido , que luego se descompone rápidamente de modo que se escinde el doble enlace. Este es el paso crítico en la rotura de la cadena cuando los polímeros son atacados. La resistencia de los polímeros depende del peso molecular de la cadena o del grado de polimerización , cuanto mayor es la longitud de la cadena, mayor es la resistencia mecánica (como la resistencia a la tracción ). Al escindir la cadena, el peso molecular cae rápidamente y llega un punto en el que tiene poca fuerza y se forma una grieta. Se produce un ataque adicional en las superficies de la grieta recién expuestas y la grieta crece de manera constante hasta que completa un circuito y el producto se separa o falla. En el caso de un sello o un tubo, la falla ocurre cuando se penetra la pared del dispositivo.
Los grupos terminales carbonilo que se forman son habitualmente aldehídos o cetonas , que pueden oxidarse más a ácidos carboxílicos . El resultado neto es una alta concentración de oxígeno elemental en las superficies de la grieta, que puede detectarse mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía en el entorno SEM o ESEM . El espectro de la izquierda muestra el pico de oxígeno alto en comparación con un pico de azufre constante . El espectro de la derecha muestra el espectro de la superficie del elastómero no afectado, con un pico de oxígeno relativamente bajo en comparación con el pico de azufre.
Prevención
El problema se puede prevenir agregando antiozonantes al caucho antes de la vulcanización . Las grietas de ozono se veían comúnmente en las paredes laterales de los neumáticos de los automóviles , pero ahora se ven raramente gracias al uso de estos aditivos. Un antiozonante común y de bajo costo es una cera que sangra a la superficie y forma una capa protectora, pero también se usan ampliamente otros productos químicos especializados.
Por otro lado, el problema se repite en productos sin protección, como tubos de goma y sellos, donde se cree que el ataque del ozono es imposible. Desafortunadamente, los rastros de ozono pueden aparecer en las situaciones más inesperadas. El uso de cauchos resistentes al ozono es otra forma de inhibir el agrietamiento. El caucho EPDM y el caucho butílico son resistentes al ozono, por ejemplo.
Para equipos de alto valor donde la pérdida de función puede causar serios problemas, los sellos de bajo costo pueden reemplazarse a intervalos frecuentes para evitar fallas.
El gas de ozono se produce durante la descarga eléctrica por chispas o descarga de corona, por ejemplo. La electricidad estática puede acumularse dentro de máquinas como compresores con partes móviles construidas con materiales aislantes. Si esos compresores alimentan aire presurizado a un sistema neumático cerrado, entonces todos los sellos del sistema pueden estar en riesgo de agrietamiento por ozono.
El ozono también se produce por la acción de la luz solar sobre compuestos orgánicos volátiles o COV, como el vapor de gasolina presente en el aire de pueblos y ciudades, en un problema conocido como smog fotoquímico . El ozono formado puede desplazarse muchos kilómetros antes de ser destruido por reacciones posteriores.
Uso de bandas elásticas para probar la contaminación por ozono
Se han utilizado bandas elásticas al menos en experimentos caseros publicitados para permitir pruebas globales de contaminación por ozono. [2] Titulado GORP, por Global Ozone Rubber Participant, los usuarios pueden ver los efectos de la contaminación por ozono cerca de sus propios hogares o lugares de trabajo. Se eligieron gomas elásticas por su disponibilidad y bajo costo. En el experimento, se utilizan dos bandas de goma para suspender cada una dos pequeñas botellas de agua. Uno está suspendido al aire libre, protegido del sol y la lluvia, y el otro en el interior. Se coloca una hoja de registro de datos detrás de la instalación y se pega a la pared. Luego, el usuario marca los cambios en la altura de las botellas de agua a medida que el caucho natural se degrada debido a la contaminación por ozono. Dado que ambas botellas de agua tienen casi la misma masa, la fuerza en cada banda de goma es similar y la constante de resorte de cada banda de goma se compara mediante la relación de las extensiones relativas de la botella de agua en las bandas de goma. Normalmente, el experimentador doméstico ve relativamente poco daño en el control interior en comparación con la configuración exterior. Después de una semana o dos, los experimentadores domésticos sellan ambas bandas elásticas en una pequeña bolsa de plástico y las envían por correo, junto con sus hojas de datos, a los investigadores de GORP. Los investigadores examinan la pérdida de elasticidad frente a los datos y la ubicación. El estudio GORP se implementó originalmente durante la epidemia de SARS-CoV-2 como un medio para probar la reducción de la contaminación por ozono durante la cuarentena.
Ver también
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Referencias
- ^ Capa, RW y Lattimer, RP (1990). Protección del caucho contra el ozono. Química y tecnología del caucho , 63 (3), 426-450.
- ^ Wofsey, Mike. "¿Estás respirando contaminación por ozono?" . www.instructables.com . Consultado el 24 de abril de 2020 .
- Lewis, Peter Rhys, Reynolds, K, Gagg, C, Ingeniería de materiales forenses: estudios de caso , CRC Press (2004).
- Lewis, Peter Rhys Ingeniería forense de polímeros: por qué los productos de polímeros fallan en el servicio , segunda edición, Woodhead / Elsevier (2016).
enlaces externos
- Grietas en las paredes laterales
- Ingenieria forense
- Software de código abierto para la simulación de la vida útil de los elastómeros
- Software comercial para la predicción de la vida útil de los elastómeros