使用交联密度测量评估模制橡胶部件的热历史

作者：Fred Fraser

欢迎访问e展厅 展厅 3 橡胶/轮胎展厅 天然橡胶, 橡胶颗粒, 硫化硅橡胶, 硅胶, 热塑性弹性体, ... 在分析橡胶（特别是现场返回部件）时，人们会重复询问一个问题：“橡胶分解了吗？”或者“橡胶可行吗？”。如果橡胶块系采用已知化合物制造且是符合ASTM要求的板材，则问题相对简单。可以开展拉伸强度测量并对比原始物理特性。轴封或衬垫无法开展这种操作，几乎从来不能达到此类部件的拉伸强度试验的尺寸要求。 本文中，我们将采用一些实例表明可以高度自信地回答这一问题（可行/不可行/热历史严重程度）。制备一系列空气老化ASTM板材（代表从微微老化到严重老化的各种范围样品）即可完成这一任务。参照SAE J2236客观设置了后一目标（SAE J2236将化合物的温度上限定义为达到至少50%拉伸强度和%断裂伸长率的温度）。 制备之后，测量了参照样品的拉伸特性和交联密度。我们能够依据结果曲线使用交联密度预测拉伸特性，因此回答以下问题：橡胶可行吗？将提供一个案例研究回答关于客户返回样品的一个关键问题。 问题 客户（一家汽车制造商）返回一个部件。该部件在热循环试验中出现问题。尽管部件通过试验，既不泄油也不漏气，但是，部分的一部件粘附到试验轴上。 乍眼看到时，部件根本不正常。预期热循环试验会在某种程度上对橡胶提出挑战，但是损坏明显严重，远远超过预期。测量显微硬度读数，但远远高于预期。另外，部分部件粘附到轴上（图1和图2）。 交联密度（XLD）试验的普通应用 开展最常见的试验类型确认/驳斥已经完全固化的特别部件的论点。对于我们来说，通常这将是我们自己在FNST的化合物之一，因此，我们可以利用非固化橡胶，同时还可以控制固化条件（即压机的时间/温度），如果合适，还可以执行烘箱后固化。 程序 步骤1：制备数值为TC50、TC70、TC90和TC99的参照样品及其后固化对等样品。 步骤2：根据可靠的固化技术状态对参照样品和试验样品进行试验。在此情况下，我们将使用膨胀技术和用于相对交联密度的Flory-Rehner方程。由于我们将制备全部固化条件范围的样品，因此，将知道给定固化条件预期出现哪种样品变化以及表示固化状态重大差异的变化类型。 在本实例中，采取的途径将有何不同？ 在此实例中下，当客户收到样品时，对样品完全固化没有太多的顾虑。我们的顾虑在于，样品在某个点的热历史远远超过预期。试验样品极硬。存在问题的部件（真空泵密封）明显在配合轴上留下残余物质。在确定使用正确的化合物之后，我们的主要关注点是表明部件出现的热历史超过预期；或者，换种不同的说法就是客户的试验无效。这是我们必须确定的事项。 如何确定热历史 如果我们检查空气老化炉的板材，则将较为直观，特别是在我们已经拥有的数据显示拉伸强度和断裂伸长率%原始数值趋势的情况。我们手上没有此类数值（并非由于兴趣范围的原因），因此，我们不得不制备样品。我们选择了会快速退化样品的温度。我们的样品是一种聚丙烯酸酯橡胶，该系列化合物能够在1500C暴露于空气1,000小时。我们以此为指南确立了加速试验温度。根据Arrhenius方程得知，温度上升100C，则反应速率提高两倍，因此，（在1500C反应1,000小时）=（在1600C反应500小时）=（在1700C反应250小时），如此类推。当然，这种关系不会绝对延伸，对于预测实际样品的性能也不可靠。这一规则仅用作指南。我们开展试验测试了样品，以跟踪退化。存在某一范围的时间和温度暴露，因此，超越某个范围或其它范围时，涉及的反应机制将与负责典型空气老化暴露的机制不同。下面的图形表明我们选择数据范围的方式并不违背这一规则。 预期热历史 在–180C至1500C的温度范围以大约2,500小时总试验时间的时间间隔对存在问题的部件开展热循环试验。我们的密封采用这种ACM材料制造，以前通过了这一试验。 拉伸强度、断裂伸长率临界值 断裂伸长率和/或拉伸强度数值存在一个临界值，即拉伸强度或断裂伸长率损失50%的原始数值。超过这一数值的特性损失是橡胶样品不再可行的一个支持证据。该结论来自于SAE J2236标准，该标准规定了橡胶化合物的温度上限。实际含义就是：在1500C放置1,000小时具有J2236数值的化合物，是在这一时间/温度组合保持至少50%原始拉伸强度和最终断裂伸长率的一种化合物。 制备和特征化参照样品 采用压力固化制备ASTM板材，之后开展后固化。我们制备了T0以及1、2、3、4、5、6和7日老化的板材。空气老化炉被设置到2000C。当我们已经制备所有试验板材之后，对其进行了下列试验： ● 拉伸强度和断裂伸长率% ● IRHD显微硬度 ● 交联密度 ● 1800弯曲 特征化试验样品 采用FTIR和EDS试验了这些样品，以确认生产中使用了正确的化合物。同时也试验下列项目： ● 交联密度 ● IRHD 由于上面所述的原因，无法试验它们的断裂伸长率和/或拉伸强度数值。我们的意图是从交联密度数值得出合理的近似值。 确认橡胶化合物 采用FTIR和SEM/EDS比较了取自试验密封的橡胶。结果参见图3和图4。FTIR和EDS数据支持橡胶化合物为正确化合物的声明。 确立热历史 获取了参照样品的拉伸强度、断裂伸长率和交联密度数值，结果参见表1。 将XLD转换为断裂伸长率% 图5显示交联密度以0.9974的修正系数转换为断裂伸长率%，大于1.75E-04的XLD数值代表橡胶不可行（图5和图6）。 比较已经通过客户试验的其它FNST样品：采用XLD试验了其它样品，产生的数值范围是1.38 E-04至1.48E-04。这些数值转换为至少74%的残余断裂伸长率，即样品可行。 研究的重要意义 我们相信，该研究表明在某些情况下可以合理得出交联密度和物理特性之间的相互关系，对于有理由怀疑其产品是因为他人的错误原因而被错误指责的其它橡胶制造商，可能会对这种相互关系会感兴趣。

文章内容仅供参考 (投稿) (9/14/2014)