Korkean suorituskyvyn kumitiivisteet realistisissa käyttöolosuhteissa DMA:n avulla

Johdanto

Akryylinitriilibutadieenikumi (NBR, rakennemuoto kuvassa 1) on kopolymeeri, joka valmistetaan akryylinitriilin ja butadieenimonomeerien polymeroinnilla. Tämän kumin valmistuksessa käytetään pääasiassa matalan lämpötilan emulsiopolymerisaatiota [1]. Kopolymeerien akryylinitriilipitoisuus on tyypillisesti 18-50 mol-% [1]. NBR:t kestävät yleensä hyvin poolittomia liuottimia, kestävät hyvin kulutusta, ovat kaasun läpäisemättömiä ja kestävät hyvin lämpötiloja. Tämän vuoksi niitä käytetään laajalti erilaisten öljynkestävien kumituotteiden, kuten palkeiden, tiivisteiden ja muiden tiivisteiden, kumikäsineiden, öljynkestävien pohjallisten, painohuopien jne. valmistuksessa, ja niistä on tullut välttämätön elastinen materiaali auto-, ilmailu-, öljy-, pakkaus-, elintarvike-, paino- ja muussa teollisuudessa [2].

Jotkin NBR-tuotteet altistuvat jatkuvalle rasitukselle ja korkeille lämpötiloille käytön aikana. Siksi asiakkaan on tärkeää tietää rentoutumis- ja muodonmuutosjoukko - joko veto- tai puristusjoukko - tuotesuunnittelun aikana. Kun materiaalia käytetään jatkuvassa rasituksessa, materiaalin vaste voi muuttua palautumattomaksi pidemmällä aikajänteellä ja/tai korkeammissa lämpötiloissa. Tämä voi johtaa siihen, että materiaalin muodonmuutos on nollasta poikkeava ja pysyvä sen jälkeen, kun rasitus on poistettu. Tämä palautumaton osa on tärkeä tekijä määritettäessä tiettyjen kumimateriaalien soveltuvuutta. On olemassa useita kansainvälisiä standardeja ja kiinalaisia standardeja elastomeerien relaksaatio- ja muodonmuutosominaisuuksien testaamiseksi, kuten ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 ja GB/T 1683.

Tietoa materiaalin suorituskyvystä näiden ominaisuuksien osalta voidaan kuitenkin saada myös NETZSCH DMA 303 Eplexor^® -laitteella simuloimalla materiaalin käyttäytymistä sovelluksen kannalta merkityksellisissä olosuhteissa.

Relaksaatio- ja puristusjoukon mittaukset seuraavissa tapauksissaVastaanotetun ja vulkanoidun NBR:n mittaukset

Kaksi erilaista NBR-näytettä mitattiin puristustilassa DMA 303 Eplexor^®® -laitteella käyttäen sopivaa puristusteräsnäytteenpidintä ja työntötankoa, kuten kuvassa 2 on esitetty. Toinen on vastaanotettu NBR-näyte, jolle tehtiin primäärinen vulkanointi 170 °C:ssa staattisessa ilmassa, ja toinen on jälkivulkanoitu NBR-näyte, jota lämpökäsiteltiin edelleen 170 °C:ssa 2 tunnin ajan uunissa staattisessa ilmassa. Näytteiden halkaisija oli 5,18 mm vastaanottamattomien ja 5,22 mm jälkivulkanoitujen NBR-näytteiden osalta. Näytteen korkeus määritettiin DMA 303 Eplexor^®-laitteen automaattisella pituuden tunnistusominaisuudella.

Koe suoritettiin käyttäen seuraavaa kuuden segmentin menettelyä:

1. Näytteen kosketuksen varmistamiseksi käytettiin 0,05 N:n staattista voimaa isotermisen stabiloinnin aikana 25 °C:ssa 5 minuutin ajan. Segmentin lopussa mitattiin alkupaksuus _L0.
2. Tämän jälkeen lämpötila nostettiin 100 °C:seen lämmitysnopeudella 10 K ^min-1.
3. Lämpötilan vakauttamiseksi ja jotta koko näyte ehtisi tasapainottua 100 °C:ssa, lämpötilaa pidettiin 5 minuuttia ennen seuraavaa vaihetta.
4. Tavoiteltava staattinen venymä oli 25 %, joka perustui edellisen segmentin lopussa mitattuun pituuteen. Jännitystä pidettiin vakiona tässä lämpötilassa 60 minuutin ajan, ja voiman ja relaksaatiomoduulin hajoamista tarkkailtiin ajan funktiona koko segmentin ajan.
5. Sovellettu voima vähennettiin edelliseen 0,05 N:iin ja jäähdytettiin sitten takaisin 25 °C:seen 10 ^Kmin-1:n nopeudella.
6. Lämpötilaa pidettiin vakiona 25 °C:ssa 20 minuutin ajan lämpötilan vakauttamiseksi ja näytteen täydellisen tasapainottumisen mahdollistamiseksi kyseisessä lämpötilassa. Segmentin lopussa mitattiin uudelleen näytteen pituus _L1 ja määritettiin palautumaton jäännösjännitys ε = (_L1 - _L0)_/L0.

Kokeellinen

Näytteen pituus ensimmäisen segmentin lopussa mitattuna on _L0 = 7,722 mm. Kun 100 °C:n lämpötilassa olevan isotermisen segmentin alussa on sovellettu -25 prosentin staattista venytystä, staattinen voima laskee tunnin kuluttua maksimiarvostaan 24,97 N 20,41 N:iin. Vastaavasti relaksaatiomoduuli laskee 4,77 MPa:sta 3,87 MPa:han. Mittauksen lopussa näytteen pituus on _L1 = 7,464 mm. Tämä vastaa jäännösjännitystä ε = -3,34 % tunnin kuluttua.

Jälkivulkanoidun NBR-näytteen pituus _L0 = 7,638 mm mitattiin ennen lämmitysjakson alkua. Staattinen venymä -25 % edellyttää 21,41 N:n alkuvoimaa, joka pienenee 17,10 N:iin 1 tunnin kuluttua 100 °C:n lämpötilassa. Relaksaatiomoduuli laskee isotermisen segmentin aikana alkuarvosta 4,06 MPa arvoon 3,19 MPa. Kokeen lopussa mitattiin näytteen pituus _L1 = 7,509 mm. Näin ollen laskettu jäännösjännitys oli tässä tapauksessa ε = -1,69 %.

Mittaustulokset

Vastaanotetun NBR-näytteen jäännösjännitys on edelleen -3,34 %, mutta vulkanoinnin jälkeen vulkanoidun NBR-näytteen jäännösjännitys on vain -1,69 %. Tämä osoittaa vulkanoinnin jälkeisen prosessikäsittelyn jyrkän vaikutuksen NBR:ään, jota korostaa jäännösjännityksen pieneneminen noin 50,6 prosentilla vastaanotettuun tilaan verrattuna. Mikrorakenteen kannalta jäännösjännityksen ero voidaan selittää sillä, että polymeeriketjujen molekyylien välinen kemiallinen ristisilloittuminen on suurempi vulkanoinnin jälkeisessä NBR-näytteessä. Tämän seurauksena niiden liikkuvuus ja kyky tehdä konfiguraatiomuutoksia korkeammissa lämpötiloissa ja/tai pidemmissä aikajaksoissa on huomattavasti heikentynyt. Koska irreversiibeli, viskoosinen virtaus edellyttää pääpolymeeriketjujen liikkumista uusiin metastabiileihin konfiguraatioihin, kemiallisen ristisilloittumisen lisääntynyt aste vähentää mahdollisuuksia konfiguraatiomuutoksiin näytteen muodonmuutoksen aikana. Irreversiibelit mikrorakennemuutokset näkyvät makroskooppisessa mittakaavassa voiman vähenemisenä isotermisen relaksaatiojakson aikana, kuten kuvissa 3 ja 4 on esitetty.

Tuotesuunnittelijoiden kannalta elastomeerien jälkivulkanoinnin etuna on se, että he voivat odottaa, että tuotteessa tapahtuu vähemmän fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia käytön aikana, kuten tässä esitetty jäännösjännitys. Näin he voivat räätälöidä lopputuotteensa paremmin materiaalin käyttötarkoitusta vastaavaksi.

Päätelmä

Lisäksi dynaaminen mekaaninen analyysi mahdollistaa useiden kansainvälisten standardien mukaisesti suoritettuihin relaksaatio- ja puristusjoustokokeisiin verrattuna myös voiman vähenemisen paikan päällä jatkuvan rasituksen aikana. Tämä voi antaa tuotesuunnittelijalle lisätietoa materiaalin käyttäytymisestä käytössä.