Juntas de caucho de alto rendimiento en condiciones de aplicación realistas con ayuda de DMA

Introducción

El caucho de acrilonitrilo butadieno (NBR, cuya forma estructural se muestra en la figura 1) es un copolímero producido por la polimerización de monómeros de acrilonitrilo y butadieno. El principal proceso utilizado para fabricar este caucho es la polimerización en emulsión a baja temperatura [1]. El contenido de acrilonitrilo de los copolímeros suele oscilar entre el 18 y el 50 mol.-% [1]. En general, los NBR presentan una buena resistencia a los disolventes no polares, alta resistencia a la abrasión, impermeabilidad a los gases y buena resistencia a la temperatura. Como resultado, se utilizan ampliamente en la fabricación de diversos productos de caucho resistentes al aceite, como fuelles, juntas y otros sellos, guantes de caucho, suelas resistentes al aceite, mantillas de impresión, etc., y se han convertido en un material elástico indispensable en las industrias del automóvil, la aviación, el petróleo, el embalaje, la alimentación, la impresión y otras [2].

Algunos productos de NBR están sometidos a esfuerzos constantes y temperaturas elevadas durante el servicio. Por lo tanto, el conocimiento del conjunto de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación y deformación -tensión o compresión- es importante para el cliente durante el diseño del producto. Cuando un material se utiliza bajo tensión constante, la respuesta del material puede volverse irreversible en escalas de tiempo más largas y/o temperaturas más elevadas. Esto puede dar lugar a una deformación permanente y distinta de cero del material una vez eliminada la tensión. Esta parte no reversible es un factor importante a la hora de determinar la aplicabilidad de determinados materiales de caucho. Existen varias normas internacionales y normas chinas para probar las propiedades relevantes de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación y deformación de elastómeros, como ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 y GB/T 1683.

Sin embargo, la información sobre el rendimiento del material para estas propiedades también se puede obtener con el NETZSCH DMA 303 Eplexor^® mediante la simulación del comportamiento del material en condiciones relevantes para la aplicación.

Medidas de relajación y compresión enNBR recibido y vulcanizado

Se midieron dos muestras diferentes de NBR en el modo de compresión con el DMA 303 Eplexor^®® utilizando el soporte de muestra de acero de compresión y la varilla de empuje adecuados, como se muestra en la figura 2. Una es una muestra de NBR tal como se recibió que se sometió a un proceso de vulcanización primaria a 170°C en aire estático, y la otra es una muestra de NBR post-vulcanizada que se sometió a un tratamiento térmico adicional a 170°C durante 2 h en un horno en aire estático. El diámetro de las muestras era de 5,18 mm y 5,22 mm para las muestras de NBR recibidas y post-vulcanizadas, respectivamente. La altura de la muestra se determinó mediante la función de detección automática de longitud del DMA 303 Eplexor^®.

El experimento se realizó utilizando el siguiente procedimiento de seis segmentos:

1. Se aplicó una fuerza estática de 0,05 N para asegurar el contacto con la muestra durante la estabilización isotérmica a 25°C durante 5 min. Al final del segmento, se midió el espesor inicial, _L0.
2. A continuación, se elevó la temperatura a 100°C a una velocidad de calentamiento de 10 K ^min-1.
3. Para estabilizar la temperatura y permitir que toda la muestra se equilibrara a 100°C, se mantuvo la temperatura durante 5 min antes del siguiente paso.
4. Se aplicó una tensión estática objetivo del 25% basada en la longitud medida al final del segmento anterior. La deformación se mantuvo constante a esta temperatura durante 60 min y se observó el decaimiento de la fuerza y el módulo de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación en función del tiempo a lo largo de todo el segmento.
5. La fuerza aplicada se redujo a los 0,05 N anteriores y, a continuación, se volvió a enfriar a 25°C a 10 ^Kmin-1.
6. La temperatura se mantuvo constante a 25°C durante 20 min para estabilizar la temperatura y permitir que la muestra se equilibrara completamente a la temperatura dada. Al final del segmento, se midió de nuevo la longitud de la muestra, _L1, y se determinó la deformación residual no reversible, ε = (_L1 - _L0)_/L0.

Experimental

La longitud de la muestra medida al final del primer segmento es _L0 = 7,722 mm. Tras aplicar una deformación estática del -25 % al principio del segmento isotérmico a 100 °C, la fuerza estática disminuye de su valor máximo de 24,97 N a 20,41 N al cabo de una hora. En consecuencia, el módulo de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación disminuye de 4,77 MPa a 3,87 MPa. Al final de la medición, la probeta tiene una longitud de _L1 = 7,464 mm. Esto corresponde a una deformación residual de ε = -3,34 % después de una hora.

Para la muestra de NBR postvulcanizado, se midió una longitud de _L0 = 7,638 mm antes del inicio del segmento de calentamiento. La deformación estática de -25% requiere una fuerza inicial de 21,41 N, que disminuye a 17,10 N después de 1 h a 100°C. El módulo de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación disminuye de un valor inicial de 4,06 MPa a 3,19 MPa durante el segmento isotérmico. Al final del experimento, se midió una longitud de probeta de _L1 = 7,509 mm. Por tanto, la deformación residual calculada en este caso fue ε = -1,69%.

Resultados de las mediciones

Mientras que el NBR tal como se recibió sigue mostrando una deformación residual del -3,34%, la muestra de NBR post-vulcanizado sólo muestra un valor del -1,69%. Esto muestra una drástica influencia del tratamiento del proceso de post-vulcanización en el NBR, destacada por la reducción de la deformación residual en aproximadamente un 50,6% en comparación con el estado tal como se recibió. Desde un punto de vista microestructural, la diferencia en la deformación residual puede explicarse por el mayor grado de entrecruzamiento químico intermolecular de las cadenas poliméricas en la muestra de NBR post-vulcanizado. Como resultado, su movilidad y capacidad de sufrir cambios configuracionales a temperaturas elevadas y/o en escalas de tiempo más largas se reduce drásticamente. Dado que el flujo irreversible y viscoso requiere el movimiento de las principales cadenas poliméricas hacia nuevas configuraciones metaestables, el mayor grado de reticulación química reduce las posibilidades de cambios configuracionales durante la deformación de la muestra. Los cambios microestructurales irreversibles se reflejan a escala macroscópica en la reducción de la fuerza durante el segmento de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación isotérmica, como se muestra en las figuras 3 y 4.

Para los diseñadores de productos, la ventaja de la postvulcanización de elastómeros es que pueden esperar menos cambios físicos y químicos en su producto durante el servicio, como la deformación residual que se muestra aquí. Esto les permite adaptar mejor su producto final a la aplicación del material.

Conclusión

Además, en comparación con los experimentos de juego de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación y compresión realizados de acuerdo con varias normas internacionales, el análisis mecánico dinámico también permite observar in situ la reducción de la fuerza durante una deformación constante. Esto puede proporcionar al diseñador de un producto información adicional sobre el comportamiento de su material en servicio.