能源行业正在增加氢气作为清洁能源的替代品，部署具有成本效益、可靠的基础设施技术，需要选择结构材料来解决高压氢环境施加的独特压力。
例如，用于压缩机、阀门和软管的橡胶密封件是氢气输送系统维护的最常见原因之一。
美国能源部 (DOE) 的氢和燃料电池技术办公室，通过其氢材料兼容性联盟(H-Mat) 正在资助研究氢兼容性材料的研究，这些材料与氢一起安全且耐用。
来自太平洋西北国家实验室和桑迪亚国家实验室的研究人员，领导着能源部的氢材料兼容性联盟（H-Mat）。
在太平洋西北国家实验室 (PNNL)、橡树岭国家实验室和桑迪亚国家实验室的研究人员进行的一项研究中，结果显示了一种常见的橡胶添加剂在暴露于氢气时如何随时间演变。这是一种用于软化橡胶的增塑剂，在材料中分离并迁移。随着反复暴露和增加压力，损坏变得更糟，最终导致橡胶表面起泡和起皱。
在较低的压力下，没有看到明显的起泡或开裂。更高的压力下将能看到真正损坏的地方，最重要的是避免在氢基础设施中会经历剧烈压力循环的组件中使用某些橡胶成分。
Simmons 是 H-Mat 的联合负责人，由来自包括 PNNL 在内的五个国家实验室的研究人员组成。通过氢兼容性研究，该联盟旨在指导开发在极端环境下具有更长使用寿命的耐氢材料。该财团还支持能源部的 H2@Scale 计划，专注于推进负担得起的清洁氢生产、运输、储存和利用，以实现工业和运输的脱碳，并释放跨部门的收入潜力和价值。
硫化：氢相容性的硬指标
硫化是一种将橡胶化合物与各种添加剂相结合的硫化过程。添加剂的选择可以改善弹性、强度、粘度、硬度和耐候性等属性。例如，增塑剂可以帮助保持橡胶柔韧，例如 O 形圈和玩具。活化剂，如氧化锌与硬脂酸和硫化合物的结合，可以加速固化过程。
研究人员之前研究了加压氢气对氢气基础设施所用滑动或密封部件中常见的两种橡胶的影响。该研究的结果发表在《摩擦学国际》上，表明三元乙丙橡胶比丁腈橡胶 (NBR) 更能承受压力。在最近的研究中，该团队专注于 NBR 以观察导致损坏的原因。
显微镜下的增塑剂迁移
氦离子显微镜图像显示，在越来越多地暴露于高压氢气的情况下，癸二酸二辛酯（一种橡胶添加剂）的结构损伤越来越大。
为了在原子水平上检查橡胶，该团队在环境分子科学实验室使用了一系列高功率仪器，环境分子科学实验室是位于 PNNL 的美国能源部科学用户设施。首先，研究人员使用氦离子显微镜拍摄了 300 微米的橡胶样品照片，大约相当于尘螨的大小。图像中的明暗区域显示样品表面随着暴露于加压氢气的增加而发生变化。
接下来，他们使用另一种仪器来识别不同区域的化学物质。这种称为飞行时间二次离子质谱仪的灵敏仪器可以分析直径小至 20 微米的单个颗粒。这个大小大约是人类头发宽度的四分之一。
12 次循环后，表面开始形成损伤，100 次循环后，越来越多的增塑剂开始迁移。压力循环后的观察结果表明，增塑剂迁移到表面并随着时间的推移而累积损伤。使用合适的橡胶化合物来最大程度地减少压力循环和氢效应非常重要。
氢膨胀创造攻击点
对橡胶样品的超薄层的进一步检查显示，在一片面包中 - 氧化锌颗粒周围有类似空隙的气孔。
当聚合物承受低至 28 MPa 的氢气压力时，就会开始形成空隙，这些空隙最终会扩大并导致开裂，从而导致组件需要停止使用。
同样，空隙的数量和尺寸随着循环次数的增加而增加，从而扩大了橡胶样品的整体尺寸。结果表明需要新材料或橡胶硫化机制，可能使用过氧化物代替硫磺。他已经在进行后续研究以探索这种可能性。
来源：贤集网
