摘 要:某機器人裝備聚氨酯管發生開裂,采用宏觀觀察、紅外光譜分析、力學性能測試、掃描電 鏡及能譜分析等方法對其開裂原因進行分析。結果表明:聚氨酯管并未發生熱氧老化及紫外老化; 環境中的細小鋁顆粒對管件表面造成磨損,損傷處成為應力集中點并萌生裂紋,裂紋進一步擴展并 貫穿管壁,最終導致內部介質泄漏。
關鍵詞:聚氨酯管;裂紋;磨損;熱氧老化
中圖分類號:TQ328.3;TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)04-0057-05
某機器人裝備聚氨酯(PU)管發生開裂,該管件 有2個品種:一種為透明的PU管,其內部介質為粉 水混合物,壓力為0.3~0.5MPa;另一種為藍色PU 管,其內部介質為干燥空氣,壓力為0.4~0.6MPa。 筆者采用宏觀觀察、紅外光譜分析、力學性能測試、 掃描電鏡(SEM)及能譜分析等方法對其開裂原因 進行分析,以防止該類問題再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
PU管整體宏觀形貌如圖1所示。使用過的 PU管局部宏觀形貌如圖2所示,由圖2可知:透明管 外表面存在裂紋,裂紋方向為環向;藍色管表面可見 貫穿的裂紋以及許多細小裂紋,裂紋方向也為環向。
1.2 紅外光譜分析
為了研究 PU 管是否發生熱氧老化或紫外老 化,對新、舊PU管進行了紅外光譜分析,結果如圖 3所示。由圖3可知:A、B、C、D4個紅外圖譜的吸 收峰位和強度幾乎是一樣的,說明新、舊兩種管材的 吸收振動峰并沒有不同之處。在波速為3330cm-1 處,可見明顯的吸收峰,即存在-N-H 的振動伸縮 峰;在波速為1701cm-1 處,可見氫鍵化的氨酯羰 基振動吸收峰。波速為1220cm-1 處的硬段氨酯 基-C-O-O 振 動 吸 收 峰 和 波 速 為 1529cm-1 處 的-C-N-H 振動吸收峰也無減弱消失的現 象,說 明-N-H 鍵和-C-H 鍵并未發生老化斷裂,氨酯羰基 也未因老化而減少。波速為1726cm-1 處的軟段 氨酯羰基和硬段游離氨酯羰基的振動吸收峰也并沒 有出現因老化而增強的現象,從而判斷出材料并未 發生熱氧老化或紫外老化[1-4]。
1.3 硬度測試
以50mm為間距,選取舊管上靠近裂紋處至遠 離裂紋處的7個位置進行邵氏硬度測試,隨機選取 新管的首個測試位置,同樣每間隔50mm 測試一 次,結果如表1所示。由表1可知:新、舊管的硬度 差異并不明顯,基本保持在95~96HA。
1.4 力學性能測試
在兩種開裂PU管的遠離裂紋處和靠近裂紋處 分別進行力學性能測試,結果如表2所示。由表2可 知:兩種PU管上遠離裂紋處的平均抗拉強度分別為52.0MPa和53.8MPa,靠近裂紋處的平均抗拉強度 分別為40.6MPa和43.2MPa;遠離裂紋處的斷裂應 變分別為490%和480%,高于靠近裂紋處的斷裂應 變。管材在局部反復運動時的老化使得其局部力學 性能下降,該結果與傅里葉紅外測試結果相符。
1.5 掃描電鏡和能譜分析
分別在垂直于透明管和藍色管的裂紋處截取剖 面試樣和斷口試樣,將試樣置于掃描電子顯微鏡下 觀察。透明管裂紋處剖面SEM 形貌如圖4所示, 透明管斷口SEM 形貌如圖5所示,由圖4,5可知: 裂紋起源于外表面,向內表面擴展,裂紋源區可見明 顯臺階特征,其上有較多黏附的顆粒物;裂紋擴展區 可見大致平行的疲勞輝紋。
對透明管斷口外表面進行SEM 分析,其外表 面SEM 形貌如圖6所示,其外表面存在垂直于裂 紋方向的劃傷痕跡,且還殘留著顆粒物。采用能譜 儀對透明管裂紋源區及外表面顆粒物進行分析,結 果如圖7,8所示,由圖7,8可知:顆粒物中除了碳、 氧元素外,鋁元素的含量較高,由于PU管主要用于 鋁制產品的脫模,因此分析認為這些顆粒物為細小的鋁顆粒。
藍色管裂紋處剖面SEM形貌如圖9所示,從圖9 可知,裂紋起源于外表面,并向內表面擴展。藍色管斷 口SEM形貌如圖10所示,由圖10可知:裂紋起源于外 表面,裂紋源區可見明顯臺階特征,其上有較多黏附的 顆粒物;裂紋擴展區可見大致平行的疲勞輝紋,其斷口 微觀SEM形貌符合疲勞開裂的微觀形貌特征。
藍色管外表面SEM 形貌如圖11所示,由圖11 可知:其外表面存在垂直于裂紋方向的劃傷痕跡,且 還殘留著顆粒物。
采用能譜儀對藍色管裂紋源區及外表面顆粒物 進行分析,結果如圖12,13所示,由圖12,13可知: 顆粒物中除了碳、氧元素以外,鋁元素的含量較高, 由于PU管主要用于鋁制產品的脫模,因此分析認 為這些顆粒物也為細小的鋁顆粒。
2 綜合分析
由紅外光譜分析可以判斷出材料并未發生熱氧 老化或紫外老化。新、舊管材的硬度差異并不明顯, 基本保持在95~96HA。由力學性能測試結果可 知:遠離裂紋處的材料力學性能要好于靠近裂紋處, 說明管材在局部頻繁彎曲運動時發生老化,使其得 局部力學性能下降。
由SEM 分析可知:使用過的兩種PU管表面存 在較多環向分布的裂紋,裂紋起始于外表面,開裂面 SEM 形貌呈疲勞開裂特征;開裂處的外表面存在劃 傷痕跡,裂紋源區和劃傷痕跡中均存在細小鋁顆粒。
由以上分析結果可知:PU 管運動時,其外表面 先受到外來細小鋁顆粒的影響,并發生磨粒磨損,在 管外表面產生了機械損傷,然后在往復運動中,外表 面的損傷處產生應力集中,并在拉應力的作用下萌 生裂紋,裂紋在交變載荷的作用下發生疲勞擴展并 貫穿管壁,最終導致內部介質泄漏。
3 結論
(1)送檢開裂PU管并未發生熱氧老化及紫外 老化。
(2)工作環境中的細小鋁顆粒對PU 管表面造 成磨粒磨損,在損傷處產生應力集中并萌生裂紋,裂 紋擴展后貫穿管壁,最終導致內部介質泄漏。
參考文獻:
[1] 曹楠.核電主管道用不銹鋼不同溫度熱老化機理研究 [D].西安:西安工業大學,2019.
[2] 王玨,陳勇軍,陳娟,等.熱塑性聚氨酯/納米銅復合材 料的制備與表征[J].合成材料老化與應用,2009,38 (2):5-9.
[3] 張琴,陳正明,何新中,等.軟質PVC/PU合金的制備 及性能研究[J].浙江工業大學學報,2010,38(5): 482-485,513.
[4] 何婷,何志輝,李杰.PU 氣管故障分析實驗設計[J]. 塑料,2018,47(2):111-113.