Σφραγίδες από καουτσούκ υψηλής απόδοσης σε ρεαλιστικές συνθήκες εφαρμογής με τη βοήθεια της DMA

Εισαγωγή

Το καουτσούκ ακρυλονιτριλίου-βουταδιενίου (NBR, δομική μορφή στο σχήμα 1) είναι συμπολυμερές που παράγεται από τον πολυμερισμό μονομερών ακρυλονιτριλίου και βουταδιενίου. Η κύρια διαδικασία που χρησιμοποιείται για την κατασκευή αυτού του καουτσούκ είναι ο πολυμερισμός γαλακτώματος χαμηλής θερμοκρασίας [1]. Η περιεκτικότητα των συμπολυμερών σε ακρυλονιτρίλιο κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 18 και 50 mol.-% [1]. Οι NBR παρουσιάζουν γενικά καλή αντοχή σε μη πολικούς διαλύτες, υψηλή αντοχή στην τριβή, αδιαπερατότητα από αέρια και καλή αντοχή στη θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή διαφόρων προϊόντων από ελαστικό ανθεκτικό στο πετρέλαιο, όπως φυσητήρες, φλάντζες και άλλες σφραγίδες, γάντια από καουτσούκ, σόλες ανθεκτικές στο πετρέλαιο, κουβέρτες εκτύπωσης κ.λπ. και έχουν γίνει ένα απαραίτητο ελαστικό υλικό στην αυτοκινητοβιομηχανία, την αεροπλοΐα, το πετρέλαιο, τη συσκευασία, τα τρόφιμα, την εκτύπωση και άλλες βιομηχανίες [2].

Ορισμένα προϊόντα NBR υπόκεινται σε συνεχή καταπόνηση και αυξημένες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της χρήσης. Ως εκ τούτου, η γνώση της ρύθμισης χαλάρωσης και παραμόρφωσης - είτε σε εφελκυσμό είτε σε συμπίεση - είναι σημαντική για τον πελάτη κατά τον σχεδιασμό του προϊόντος. Όταν ένα υλικό χρησιμοποιείται υπό σταθερή τάση, η απόκριση του υλικού μπορεί να γίνει μη αναστρέψιμη σε μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες και/ή σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μη μηδενική, μόνιμη παραμόρφωση του υλικού μετά την άρση της τάσης. Αυτό το μη αντιστρεπτό μέρος αποτελεί σημαντικό παράγοντα για τον καθορισμό της δυνατότητας εφαρμογής ορισμένων υλικών από καουτσούκ. Υπάρχουν διάφορα διεθνή πρότυπα και κινεζικά πρότυπα για τη δοκιμή των σχετικών ιδιοτήτων χαλάρωσης και παραμόρφωσης που καθορίζονται από τα ελαστομερή, όπως τα ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 και GB/T 1683.

Ωστόσο, πληροφορίες σχετικά με την απόδοση του υλικού για αυτές τις ιδιότητες μπορούν επίσης να ληφθούν με το NETZSCH DMA 303 Eplexor^® προσομοιώνοντας τη συμπεριφορά του υλικού υπό συνθήκες που σχετίζονται με την εφαρμογή.

Μετρήσεις σετ χαλάρωσης και συμπίεσης σεNBR όπως παραλήφθηκε και μετά τη βουλκανικοποίηση

Δύο διαφορετικά δείγματα NBR μετρήθηκαν σε λειτουργία συμπίεσης με το DMA 303 Eplexor^®® χρησιμοποιώντας την κατάλληλη χαλύβδινη υποδοχή δείγματος συμπίεσης και το ωστήριο, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Το ένα είναι ένα δείγμα NBR όπως παραλήφθηκε, το οποίο υποβλήθηκε σε πρωτογενή βουλκανισμό στους 170°C σε στατικό αέρα, και το άλλο είναι ένα δείγμα NBR μετά τον βουλκανισμό, το οποίο υποβλήθηκε σε περαιτέρω θερμική επεξεργασία στους 170°C για 2 ώρες σε φούρνο σε στατικό αέρα. Η διάμετρος των δειγμάτων ήταν 5,18 mm και 5,22 mm για τα δείγματα NBR όπως παραλήφθηκαν και τα δείγματα NBR που βουλκανίστηκαν μετά τη βουλκανίστηκαν, αντίστοιχα. Το ύψος του δείγματος προσδιορίστηκε με τη λειτουργία αυτόματης ανίχνευσης μήκους του DMA 303 Eplexor^®.

Το πείραμα διεξήχθη με την ακόλουθη διαδικασία έξι τμημάτων:

1. Εφαρμόστηκε στατική δύναμη 0,05 N για να εξασφαλιστεί η επαφή με το δείγμα κατά τη διάρκεια της ισοθερμικής σταθεροποίησης στους 25°C για 5 λεπτά. Στο τέλος του τμήματος μετρήθηκε το αρχικό πάχος, _L0.
2. Στη συνέχεια, η θερμοκρασία αυξήθηκε στους 100°C με ρυθμό θέρμανσης 10 K ^min-1.
3. Για να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία και να επιτραπεί η εξισορρόπηση ολόκληρου του δείγματος στους 100°C, η θερμοκρασία διατηρήθηκε για 5 λεπτά πριν από το επόμενο βήμα.
4. Εφαρμόστηκε στατική παραμόρφωση στόχου 25% με βάση το μήκος που μετρήθηκε στο τέλος του προηγούμενου τμήματος. Η τάση διατηρήθηκε σταθερή σε αυτή τη θερμοκρασία για 60 λεπτά και παρατηρήθηκε η εξασθένιση της δύναμης και του μέτρου χαλάρωσης σε συνάρτηση με το χρόνο καθ' όλη τη διάρκεια του τμήματος.
5. Η εφαρμοζόμενη δύναμη μειώθηκε στα προηγούμενα 0,05 N και στη συνέχεια ψύχθηκε ξανά στους 25 °C με ταχύτητα 10 ^Kmin-1.
6. Η θερμοκρασία διατηρήθηκε σταθερή στους 25°C για 20 λεπτά για να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία και να επιτραπεί στο δείγμα να ισορροπήσει πλήρως στη δεδομένη θερμοκρασία. Στο τέλος του τμήματος μετρήθηκε εκ νέου το μήκος του δείγματος, _L1, και προσδιορίστηκε η εναπομένουσα, μη αναστρέψιμη παραμόρφωση, ε = (_L1 - _L0)_/L0.

Πειραματικό

Το μήκος του δείγματος που μετρήθηκε στο τέλος του πρώτου τμήματος είναι _L0 = 7,722 mm. Μετά την εφαρμογή στατικής παραμόρφωσης -25 % στην αρχή του ισοθερμικού τμήματος στους 100 °C, η στατική δύναμη μειώνεται από τη μέγιστη τιμή της 24,97 N σε 20,41 N μετά από μία ώρα. Αντίστοιχα, το μέτρο χαλάρωσης μειώνεται από 4,77 MPa σε 3,87 MPa. Στο τέλος της μέτρησης, το δοκίμιο έχει μήκος _L1 = 7,464 mm. Αυτό αντιστοιχεί σε παραμένουσα παραμόρφωση ε = -3,34 % μετά από μία ώρα.

Για το δοκίμιο NBR μετά τη βουλκανικοποίηση, μετρήθηκε μήκος _L0 = 7,638 mm πριν από την έναρξη του τμήματος θέρμανσης. Η στατική παραμόρφωση -25 % απαιτεί αρχική δύναμη 21,41 N, η οποία μειώνεται σε 17,10 N μετά από 1 ώρα στους 100 °C. Το μέτρο χαλάρωσης μειώνεται από μια αρχική τιμή 4,06 MPa σε 3,19 MPa κατά τη διάρκεια του ισοθερμικού τμήματος. Στο τέλος του πειράματος, μετρήθηκε μήκος δοκιμίου _L1 = 7,509 mm. Ως εκ τούτου, η υπολογιζόμενη παραμένουσα παραμόρφωση σε αυτή την περίπτωση ήταν ε = -1,69%.

Αποτελέσματα μέτρησης

Ενώ ο NBR όπως παραλήφθηκε εξακολουθεί να παρουσιάζει παραμένουσα παραμόρφωση -3,34%, το δείγμα NBR μετά τη βουλκανικοποίηση παρουσιάζει μόνο μια τιμή -1,69%. Αυτό δείχνει μια δραστική επιρροή της επεξεργασίας της διαδικασίας μετά τη βουλκανικοποίηση στο NBR που υπογραμμίζεται από τη μείωση της παραμένουσας τάσης κατά περίπου 50,6% σε σύγκριση με την κατάσταση όπως παραλήφθηκε. Από μικροδομική άποψη, η διαφορά στην παραμένουσα παραμόρφωση μπορεί να εξηγηθεί από τον υψηλότερο βαθμό διαμοριακής χημικής διασύνδεσης των πολυμερικών αλυσίδων για το δείγμα NBR μετά τη βουλκανισμένη διαδικασία. Ως αποτέλεσμα, η κινητικότητά τους και η ικανότητά τους να υφίστανται αλλαγές διαμόρφωσης σε αυξημένες θερμοκρασίες ή/και υπό μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες μειώνεται δραστικά. Δεδομένου ότι η μη αναστρέψιμη, ιξώδης ροή απαιτεί μετακίνηση των κύριων πολυμερικών αλυσίδων σε νέες μετασταθερές διαμορφώσεις, ο αυξημένος βαθμός χημικής διασύνδεσης μειώνει τις δυνατότητες για αλλαγές διαμόρφωσης κατά την παραμόρφωση του δείγματος. Οι μη αναστρέψιμες μικροδομικές αλλαγές αντικατοπτρίζονται στη μακροσκοπική κλίμακα από τη μείωση της δύναμης κατά τη διάρκεια του ισοθερμικού τμήματος χαλάρωσης, όπως φαίνεται στα σχήματα 3 και 4.

Για τους σχεδιαστές προϊόντων, το πλεονέκτημα της μετα-βουλκανισμού των ελαστομερών είναι ότι μπορούν να αναμένουν λιγότερες φυσικές και χημικές αλλαγές στο προϊόν τους κατά τη διάρκεια της χρήσης, όπως η υπολειπόμενη τάση που φαίνεται εδώ. Αυτό τους επιτρέπει να προσαρμόζουν το τελικό προϊόν τους περισσότερο στην εφαρμογή του υλικού.

Συμπέρασμα

Επιπλέον, σε σύγκριση με τα πειράματα χαλάρωσης και συμπίεσης που διεξάγονται σύμφωνα με διάφορα διεθνή πρότυπα, η δυναμική μηχανική ανάλυση επιτρέπει επίσης την επιτόπου παρατήρηση της μείωσης της δύναμης κατά τη διάρκεια της σταθερής παραμόρφωσης. Αυτό μπορεί να παράσχει στον σχεδιαστή ενός προϊόντος πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά του υλικού του σε λειτουργία.