極端條件下壽命更長的耐氫材料，可以承受更大壓強(qiáng)
2023-07-19
11320核心提示：能源行業(yè)正在增加氫氣作為清潔能源的替代品，部署具有成本效益、可靠的基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)，需要選擇結(jié)構(gòu)材料來解決高壓氫環(huán)境施加的獨(dú)
能源行業(yè)正在增加氫氣作為清潔能源的替代品，部署具有成本效益、可靠的基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)，需要選擇結(jié)構(gòu)材料來解決高壓氫環(huán)境施加的獨(dú)特壓力。
例如，用于壓縮機(jī)、閥門和軟管的橡膠密封件是氫氣輸送系統(tǒng)維護(hù)的最常見原因之一。
美國能源部 (DOE) 的氫和燃料電池技術(shù)辦公室，通過其氫材料兼容性聯(lián)盟(H-Mat) 正在資助研究氫兼容性材料的研究，這些材料與氫一起安全且耐用。
來自太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，領(lǐng)導(dǎo)著能源部的氫材料兼容性聯(lián)盟（H-Mat）。
在太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL)、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，結(jié)果顯示了一種常見的橡膠添加劑在暴露于氫氣時(shí)如何隨時(shí)間演變。這是一種用于軟化橡膠的增塑劑，在材料中分離并遷移。隨著反復(fù)暴露和增加壓力，損壞變得更糟，最終導(dǎo)致橡膠表面起泡和起皺。
在較低的壓力下，沒有看到明顯的起泡或開裂。更高的壓力下將能看到真正損壞的地方，最重要的是避免在氫基礎(chǔ)設(shè)施中會(huì)經(jīng)歷劇烈壓力循環(huán)的組件中使用某些橡膠成分。
Simmons 是 H-Mat 的聯(lián)合負(fù)責(zé)人，由來自包括 PNNL 在內(nèi)的五個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員組成。通過氫兼容性研究，該聯(lián)盟旨在指導(dǎo)開發(fā)在極端環(huán)境下具有更長使用壽命的耐氫材料。該財(cái)團(tuán)還支持能源部的 H2@Scale 計(jì)劃，專注于推進(jìn)負(fù)擔(dān)得起的清潔氫生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和利用，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)和運(yùn)輸?shù)拿撎?，并釋放跨部門的收入潛力和價(jià)值。
硫化：氫相容性的硬指標(biāo)
硫化是一種將橡膠化合物與各種添加劑相結(jié)合的硫化過程。添加劑的選擇可以改善彈性、強(qiáng)度、粘度、硬度和耐候性等屬性。例如，增塑劑可以幫助保持橡膠柔韌，例如 O 形圈和玩具?；罨瘎?，如氧化鋅與硬脂酸和硫化合物的結(jié)合，可以加速固化過程。
研究人員之前研究了加壓氫氣對(duì)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施所用滑動(dòng)或密封部件中常見的兩種橡膠的影響。該研究的結(jié)果發(fā)表在《摩擦學(xué)國際》上，表明三元乙丙橡膠比丁腈橡膠 (NBR) 更能承受壓力。在最近的研究中，該團(tuán)隊(duì)專注于 NBR 以觀察導(dǎo)致?lián)p壞的原因。
顯微鏡下的增塑劑遷移
氦離子顯微鏡圖像顯示，在越來越多地暴露于高壓氫氣的情況下，癸二酸二辛酯（一種橡膠添加劑）的結(jié)構(gòu)損傷越來越大。
為了在原子水平上檢查橡膠，該團(tuán)隊(duì)在環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用了一系列高功率儀器，環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室是位于 PNNL 的美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施。首先，研究人員使用氦離子顯微鏡拍攝了 300 微米的橡膠樣品照片，大約相當(dāng)于塵螨的大小。圖像中的明暗區(qū)域顯示樣品表面隨著暴露于加壓氫氣的增加而發(fā)生變化。
接下來，他們使用另一種儀器來識(shí)別不同區(qū)域的化學(xué)物質(zhì)。這種稱為飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀的靈敏儀器可以分析直徑小至 20 微米的單個(gè)顆粒。這個(gè)大小大約是人類頭發(fā)寬度的四分之一。
12 次循環(huán)后，表面開始形成損傷，100 次循環(huán)后，越來越多的增塑劑開始遷移。壓力循環(huán)后的觀察結(jié)果表明，增塑劑遷移到表面并隨著時(shí)間的推移而累積損傷。使用合適的橡膠化合物來最大程度地減少壓力循環(huán)和氫效應(yīng)非常重要。
氫膨脹創(chuàng)造攻擊點(diǎn)
對(duì)橡膠樣品的超薄層的進(jìn)一步檢查顯示，在一片面包中 - 氧化鋅顆粒周圍有類似空隙的氣孔。
當(dāng)聚合物承受低至 28 MPa 的氫氣壓力時(shí)，就會(huì)開始形成空隙，這些空隙最終會(huì)擴(kuò)大并導(dǎo)致開裂，從而導(dǎo)致組件需要停止使用。
同樣，空隙的數(shù)量和尺寸隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，從而擴(kuò)大了橡膠樣品的整體尺寸。結(jié)果表明需要新材料或橡膠硫化機(jī)制，可能使用過氧化物代替硫磺。他已經(jīng)在進(jìn)行后續(xù)研究以探索這種可能性。
來源：賢集網(wǎng)
例如，用于壓縮機(jī)、閥門和軟管的橡膠密封件是氫氣輸送系統(tǒng)維護(hù)的最常見原因之一。
美國能源部 (DOE) 的氫和燃料電池技術(shù)辦公室，通過其氫材料兼容性聯(lián)盟(H-Mat) 正在資助研究氫兼容性材料的研究，這些材料與氫一起安全且耐用。
來自太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，領(lǐng)導(dǎo)著能源部的氫材料兼容性聯(lián)盟（H-Mat）。
在太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL)、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，結(jié)果顯示了一種常見的橡膠添加劑在暴露于氫氣時(shí)如何隨時(shí)間演變。這是一種用于軟化橡膠的增塑劑，在材料中分離并遷移。隨著反復(fù)暴露和增加壓力，損壞變得更糟，最終導(dǎo)致橡膠表面起泡和起皺。
在較低的壓力下，沒有看到明顯的起泡或開裂。更高的壓力下將能看到真正損壞的地方，最重要的是避免在氫基礎(chǔ)設(shè)施中會(huì)經(jīng)歷劇烈壓力循環(huán)的組件中使用某些橡膠成分。
Simmons 是 H-Mat 的聯(lián)合負(fù)責(zé)人，由來自包括 PNNL 在內(nèi)的五個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員組成。通過氫兼容性研究，該聯(lián)盟旨在指導(dǎo)開發(fā)在極端環(huán)境下具有更長使用壽命的耐氫材料。該財(cái)團(tuán)還支持能源部的 H2@Scale 計(jì)劃，專注于推進(jìn)負(fù)擔(dān)得起的清潔氫生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和利用，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)和運(yùn)輸?shù)拿撎?，并釋放跨部門的收入潛力和價(jià)值。
硫化：氫相容性的硬指標(biāo)
硫化是一種將橡膠化合物與各種添加劑相結(jié)合的硫化過程。添加劑的選擇可以改善彈性、強(qiáng)度、粘度、硬度和耐候性等屬性。例如，增塑劑可以幫助保持橡膠柔韌，例如 O 形圈和玩具?；罨瘎?，如氧化鋅與硬脂酸和硫化合物的結(jié)合，可以加速固化過程。
研究人員之前研究了加壓氫氣對(duì)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施所用滑動(dòng)或密封部件中常見的兩種橡膠的影響。該研究的結(jié)果發(fā)表在《摩擦學(xué)國際》上，表明三元乙丙橡膠比丁腈橡膠 (NBR) 更能承受壓力。在最近的研究中，該團(tuán)隊(duì)專注于 NBR 以觀察導(dǎo)致?lián)p壞的原因。
顯微鏡下的增塑劑遷移
氦離子顯微鏡圖像顯示，在越來越多地暴露于高壓氫氣的情況下，癸二酸二辛酯（一種橡膠添加劑）的結(jié)構(gòu)損傷越來越大。
為了在原子水平上檢查橡膠，該團(tuán)隊(duì)在環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用了一系列高功率儀器，環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室是位于 PNNL 的美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施。首先，研究人員使用氦離子顯微鏡拍攝了 300 微米的橡膠樣品照片，大約相當(dāng)于塵螨的大小。圖像中的明暗區(qū)域顯示樣品表面隨著暴露于加壓氫氣的增加而發(fā)生變化。
接下來，他們使用另一種儀器來識(shí)別不同區(qū)域的化學(xué)物質(zhì)。這種稱為飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀的靈敏儀器可以分析直徑小至 20 微米的單個(gè)顆粒。這個(gè)大小大約是人類頭發(fā)寬度的四分之一。
12 次循環(huán)后，表面開始形成損傷，100 次循環(huán)后，越來越多的增塑劑開始遷移。壓力循環(huán)后的觀察結(jié)果表明，增塑劑遷移到表面并隨著時(shí)間的推移而累積損傷。使用合適的橡膠化合物來最大程度地減少壓力循環(huán)和氫效應(yīng)非常重要。
氫膨脹創(chuàng)造攻擊點(diǎn)
對(duì)橡膠樣品的超薄層的進(jìn)一步檢查顯示，在一片面包中 - 氧化鋅顆粒周圍有類似空隙的氣孔。
當(dāng)聚合物承受低至 28 MPa 的氫氣壓力時(shí)，就會(huì)開始形成空隙，這些空隙最終會(huì)擴(kuò)大并導(dǎo)致開裂，從而導(dǎo)致組件需要停止使用。
同樣，空隙的數(shù)量和尺寸隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，從而擴(kuò)大了橡膠樣品的整體尺寸。結(jié)果表明需要新材料或橡膠硫化機(jī)制，可能使用過氧化物代替硫磺。他已經(jīng)在進(jìn)行后續(xù)研究以探索這種可能性。
來源：賢集網(wǎng)
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