Introduction
Le caoutchouc acrylonitrile-butadiène (NBR, schéma structurel de la figure 1) est un copolymère produit par la polymérisation de monomères d'acrylonitrile et de butadiène. Le principal procédé utilisé pour fabriquer ce caoutchouc est la polymérisation en émulsion à basse température [1]. La teneur en acrylonitrile des copolymères est typiquement comprise entre 18 et 50 % mol.-% [1]. Les NBR présentent généralement une bonne résistance aux solvants non polaires, une résistance élevée à l'abrasion, une imperméabilité aux gaz et une bonne résistance à la température. Par conséquent, ils sont largement utilisés dans la fabrication de divers produits en caoutchouc résistant à l'huile, tels que les soufflets, les joints et autres garnitures, les gants en caoutchouc, les semelles résistantes à l'huile, les blanchets d'imprimerie, etc., et sont devenus un matériau élastique indispensable dans les secteurs de l'automobile, de l'aviation, du pétrole, de l'emballage, de l'alimentation, de l'imprimerie et d'autres industries [2].
Certains produits NBR sont soumis à des déformations constantes et à des températures élevées pendant leur utilisation. C'est pourquoi il est important pour le client de connaître le jeu de relaxation et de déformation - soit de tension, soit de compression - lors de la conception du produit. Lorsqu'un matériau est utilisé sous une contrainte constante, la réponse du matériau peut devenir irréversible sur des échelles de temps plus longues et/ou à des températures plus élevées. Il peut en résulter une déformation permanente non nulle du matériau une fois la contrainte supprimée. Cette partie non réversible est un facteur important pour déterminer l'applicabilité de certains matériaux en caoutchouc. Il existe plusieurs normes internationales et chinoises pour tester les propriétés de relaxation et de déformation des élastomères, telles que ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 et GB/T 1683.
Cependant, des informations sur la performance du matériau pour ces propriétés peuvent également être obtenues avec le NETZSCH DMA 303 Eplexor® en simulant le comportement du matériau dans des conditions pertinentes pour l'application.
Mesures de relaxation et de compression sur le NBR tel que reçu et post-vulcaniséNBR tel que reçu et après vulcanisation
Deux échantillons NBR différents ont été mesurés en mode compression avec le DMA 303 Eplexor®® en utilisant le porte-échantillon et la tige de compression en acier appropriés, comme le montre la figure 2. L'un est un échantillon de NBR tel qu'il a été reçu, qui a subi un processus de vulcanisation primaire à 170°C dans l'air statique, et l'autre est un échantillon de NBR post-vulcanisé qui a subi un traitement thermique supplémentaire à 170°C pendant 2 heures dans un four dans l'air statique. Le diamètre des échantillons était de 5,18 mm et de 5,22 mm pour les échantillons de NBR tels que reçus et post-vulcanisés, respectivement. La hauteur de l'échantillon a été déterminée par la fonction de détection automatique de la longueur du DMA 303 Eplexor®.
L'expérience a été réalisée en utilisant la procédure suivante en six segments :
- Une force statique de 0,05 N a été appliquée pour assurer le contact avec l'échantillon pendant la stabilisation IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme à 25°C pendant 5 minutes. À la fin du segment, l'épaisseur initiale, L0, a été mesurée.
- La température a ensuite été portée à 100°C à une vitesse de chauffage de 10 K min-1.
- Pour stabiliser la température et permettre à l'échantillon entier de s'équilibrer à 100°C, la température a été maintenue pendant 5 minutes avant l'étape suivante.
- Une déformation statique cible de 25 % basée sur la longueur mesurée à la fin du segment précédent a été appliquée. La déformation a été maintenue constante à cette température pendant 60 minutes et la décroissance de la force et le module de relaxation ont été observés en fonction du temps tout au long du segment.
- La force appliquée a été ramenée à la valeur précédente de 0,05 N, puis refroidie à nouveau à 25°C à une vitesse de 10 Kmin-1.
- La température a été maintenue constante à 25°C pendant 20 minutes pour stabiliser la température et permettre à l'échantillon de s'équilibrer complètement à la température donnée. À la fin du segment, la longueur de l'échantillon,L1, a été mesurée à nouveau et la déformation résiduelle non réversible, ε = (L1 - L0)/L0, a été déterminée.
Expérimental
La longueur de l'échantillon mesurée à la fin du premier segment est L0 = 7,722 mm. Après l'application d'une déformation statique de -25 % au début du segment IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme à 100°C, la force statique diminue de sa valeur maximale de 24,97 N à 20,41 N après une heure. De même, le module de relaxation diminue de 4,77 MPa à 3,87 MPa. À la fin de la mesure, l'échantillon a une longueur deL1 = 7,464 mm. Cela correspond à une déformation résiduelle de ε = -3,34 % après une heure.
Pour l'échantillon NBR post-vulcanisé, une longueur de L0 = 7,638 mm a été mesurée avant le début du segment de chauffage. La déformation statique de -25% nécessite une force initiale de 21,41 N, qui diminue à 17,10 N après 1 h à 100°C. Le module de relaxation passe d'une valeur initiale de 4,06 MPa à 3,19 MPa pendant le segment IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme. À la fin de l'expérience, une longueur d'échantillon deL1 = 7,509 mm a été mesurée. Par conséquent, la déformation résiduelle calculée dans ce cas était ε = -1,69 %.
Résultats des mesures
Alors que le NBR tel qu'il a été reçu présente encore une déformation résiduelle de -3,34 %, l'échantillon de NBR post-vulcanisé ne présente qu'une valeur de -1,69 %. Cela montre une influence radicale du traitement post-vulcanisation sur le NBR, soulignée par la réduction de la déformation résiduelle d'environ 50,6 % par rapport à l'état tel qu'il a été reçu. D'un point de vue microstructurel, la différence de déformation résiduelle peut s'expliquer par le degré plus élevé de réticulation chimique intermoléculaire des chaînes de polymères pour l'échantillon de NBR post-vulcanisé. Par conséquent, leur mobilité et leur capacité à subir des changements de configuration à des températures élevées et/ou sur des échelles de temps plus longues sont considérablement réduites. Étant donné que l'écoulement visqueux irréversible nécessite le déplacement des principales chaînes de polymère vers de nouvelles configurations métastables, le degré accru de réticulation chimique réduit les possibilités de changements de configuration pendant la déformation de l'échantillon. Les changements microstructuraux irréversibles se reflètent à l'échelle macroscopique par la réduction de la force pendant le segment de relaxation IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme, comme le montrent les figures 3 et 4.
Pour les concepteurs de produits, l'avantage de la post-vulcanisation des élastomères est qu'ils peuvent s'attendre à moins de changements physiques et chimiques au sein de leur produit pendant l'utilisation, comme la déformation résiduelle illustrée ici. Cela leur permet d'adapter plus étroitement leur produit final à l'application du matériau.
Conclusion
En outre, par rapport aux expériences de relaxation et de compression réalisées conformément à plusieurs normes internationales, l'analyse mécanique dynamique permet également d'observer in situ la réduction de la force au cours d'une déformation constante. Cela peut fournir au concepteur d'un produit des informations supplémentaires sur le comportement de son matériau en service.