Vysoce výkonná pryžová těsnění v reálných podmínkách použití s pomocí DMA

Úvod

Akrylonitrilbutadienový kaučuk (NBR, strukturní vzorec na obrázku 1) je kopolymer vyráběný polymerací monomerů akrylonitrilu a butadienu. Hlavním procesem používaným k výrobě tohoto kaučuk u je nízkoteplotní emulzní polymerace [1]. Obsah akrylonitrilu v kopolymerech se obvykle pohybuje mezi 18 a 50 mol.% [1]. NBR obecně vykazují dobrou odolnost vůči nepolárním rozpouštědlům, vysokou odolnost proti oděru, nepropustnost pro plyny a dobrou teplotní odolnost. Díky tomu se široce používají při výrobě různých pryžových výrobků odolných proti olejům, jako jsou měchy, těsnění a jiná těsnění, pryžové rukavice, olejivzdorné podrážky, tiskařské deky atd. a staly se nepostradatelným elastickým materiálem v automobilovém, leteckém, ropném, obalovém, potravinářském, polygrafickém a dalších odvětvích [2].

Některé výrobky z NBR jsou během provozu vystaveny trvalému namáhání a zvýšeným teplotám. Proto je pro zákazníka při návrhu výrobku důležitá znalost relaxačního a deformačního souboru - buď v tahu, nebo v tlaku. Pokud je materiál používán při konstantním namáhání, může se reakce materiálu stát při delším časovém rozsahu a/nebo vyšších teplotách nevratnou. To může mít za následek nenulovou, trvalou deformaci materiálu po odstranění deformace. Tato nevratná část je důležitým faktorem při určování použitelnosti některých pryžových materiálů. Existuje několik mezinárodních norem a čínských norem pro zkoušení příslušných vlastností elastomerů, které se týkají RelaxacePokud na pryžovou směs působí konstantní deformace, síla potřebná k udržení této deformace není konstantní, ale s časem klesá; toto chování se nazývá relaxace napětí. Proces odpovědný za relaxaci napětí může být fyzikální nebo chemický a za normálních podmínek probíhají oba současně. relaxace a nastavení deformace, například ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 a GB/T 1683.

Informace o chování materiálu pro tyto vlastnosti však lze získat také pomocí NETZSCH DMA 303 Eplexor^® simulací chování materiálu za podmínek relevantních pro aplikaci.

Měření relaxační a kompresní sady naNBR v původním stavu a po vulkanizaci

Dva různé vzorky NBR byly měřeny v kompresním režimu pomocí přístroje DMA 303 Eplexor^®® s použitím příslušného kompresního ocelového držáku vzorku a tlačné tyče, jak je znázorněno na obrázku 2. Jeden z nich je vzorek NBR ve stavu po převzetí, který prošel primárním vulkanizačním procesem při 170 °C ve statickém vzduchu, a druhý je vzorek NBR po vulkanizaci, který byl dále tepelně zpracován při 170 °C po dobu 2 h v peci ve statickém vzduchu. Průměr vzorků činil 5,18 mm u vzorku v původním stavu a 5,22 mm u vzorku po vulkanizaci NBR. Výška vzorku byla určena pomocí funkce automatické detekce délky přístroje DMA 303 Eplexor^®.

Experiment byl proveden pomocí následujícího šestisegmentového postupu:

1. Během izotermické stabilizace při teplotě 25 °C po dobu 5 min byla na vzorek působena statická síla 0,05 N, aby byl zajištěn kontakt se vzorkem. Na konci segmentu byla změřena počáteční tloušťka _L0.
2. Poté byla teplota zvýšena na 100 °C při rychlosti ohřevu 10 K ^min-1.
3. Aby se teplota stabilizovala a celý vzorek se vyrovnal při 100 °C, byla teplota před dalším krokem udržována po dobu 5 min.
4. Byla použita cílová statická deformace 25 % na základě délky změřené na konci předchozího úseku. Deformace byla při této teplotě udržována konstantní po dobu 60 min a v průběhu celého segmentu byl sledován rozpad síly a relaxačního modulu v závislosti na čase.
5. Působící síla byla snížena na předchozích 0,05 N a poté ochlazena zpět na 25 °C při 10 ^Kmin-1.
6. Teplota byla udržována konstantní při 25 °C po dobu 20 min, aby se teplota stabilizovala a vzorek se při dané teplotě plně vyrovnal. Na konci úseku byla opět změřena délka vzorku _L1 a stanovena zbytková nevratná deformace ε = (_L1 - _L0)_/L0.

Experimentální

Délka vzorku měřená na konci prvního segmentu je _L0 = 7,722 mm. Po aplikaci statické deformace -25 % na začátku IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického segmentu při teplotě 100 °C se statická síla po jedné hodině sníží z maximální hodnoty 24,97 N na 20,41 N. Odpovídajícím způsobem se sníží modul RelaxacePokud na pryžovou směs působí konstantní deformace, síla potřebná k udržení této deformace není konstantní, ale s časem klesá; toto chování se nazývá relaxace napětí. Proces odpovědný za relaxaci napětí může být fyzikální nebo chemický a za normálních podmínek probíhají oba současně. relaxace ze 4,77 MPa na 3,87 MPa. Na konci měření má vzorek délku _L1 = 7,464 mm. To odpovídá zbytkové deformaci ε = -3,34 % po jedné hodině.

U vzorku NBR po vulkanizaci byla před začátkem zahřívacího úseku naměřena délka _L0 = 7,638 mm. Statická deformace -25 % vyžaduje počáteční sílu 21,41 N, která se po 1 h při 100 °C sníží na 17,10 N. Relaxační modul klesá během IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického segmentu z počáteční hodnoty 4,06 MPa na 3,19 MPa. Na konci experimentu byla naměřena délka vzorku _L1 = 7,509 mm. Proto byla v tomto případě vypočtená zbytková deformace ε = -1,69 %.

Výsledky měření

Zatímco vzorek NBR po vulkanizaci stále vykazuje zbytkovou deformaci -3,34 %, vzorek NBR po vulkanizaci vykazuje pouze hodnotu -1,69 %. To ukazuje na drastický vliv postvulkanizační úpravy na NBR, který je zvýrazněn snížením zbytkové deformace o přibližně 50,6 % ve srovnání se stavem po převzetí. Z mikrostrukturního hlediska lze rozdíl ve zbytkové deformaci vysvětlit vyšším stupněm mezimolekulárního chemického zesíťování polymerních řetězců u postvulkanizovaného vzorku NBR. V důsledku toho je jejich pohyblivost a schopnost podléhat konfiguračním změnám při zvýšených teplotách a/nebo v delším časovém měřítku drasticky snížena. Jelikož nevratný viskózní tok vyžaduje pohyb hlavních polymerních řetězců do nových metastabilních konfigurací, zvýšený stupeň chemického zesíťování snižuje možnosti konfiguračních změn během deformace vzorku. Nevratné mikrostrukturální změny se v makroskopickém měřítku projevují snížením síly během IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického relaxačního úseku, jak je znázorněno na obrázcích 3 a 4.

Pro konstruktéry výrobků je výhodou postvulkanizace elastomerů to, že mohou očekávat méně fyzikálních a chemických změn ve svém výrobku během provozu, jako je například zde uvedená zbytková deformace. To jim umožňuje lépe přizpůsobit konečný výrobek použití materiálu.

Závěr

V porovnání s experimenty s relaxačními a tlakovými soupravami prováděnými podle několika mezinárodních norem umožňuje dynamická mechanická analýza navíc pozorovat in-situ pokles síly při konstantní deformaci. To může konstruktérovi výrobku poskytnout další informace o chování jeho materiálu v provozu.