Nagy teljesítményű gumitömítések reális alkalmazási körülmények között a DMA segítségével

Bevezetés

Az akrilnitril-butadién gumi (NBR, szerkezeti képlet az 1. ábrán) akrilnitril és butadién monomerek polimerizációjával előállított kopolimer. A fő eljárás, amelyet ennek a kaucsuknak az előállításához használnak, az alacsony hőmérsékletű emulziós polimerizáció [1]. A kopolimerek akrilnitril-tartalma jellemzően 18 és 50 mol% között van [1]. Az NBR-ek általában jó ellenállást mutatnak a nem poláros oldószerekkel szemben, nagy kopásállóságot, gázzáróságot és jó hőmérsékletállóságot. Ennek eredményeképpen széles körben használják őket különböző olajálló gumitermékek, például fújtatók, tömítések és egyéb tömítések, gumikesztyűk, olajálló talpak, nyomdatakarók stb. gyártásához, és nélkülözhetetlen rugalmas anyaggá váltak az autóiparban, a repülésben, a kőolajiparban, a csomagolóiparban, az élelmiszeriparban, a nyomdaiparban és más iparágakban [2].

Egyes NBR-termékek a használat során állandó igénybevételnek és magas hőmérsékletnek vannak kitéve. Ezért a terméktervezés során fontos az ügyfél számára a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs és deformációs készlet - akár húzó-, akár nyomószilárdság - ismerete. Ha egy anyagot állandó igénybevétel mellett használnak, az anyag reakciója hosszabb időskálán és/vagy magasabb hőmérsékleten irreverzibilissé válhat. Ez azt eredményezheti, hogy az anyag nem nulla, állandó alakváltozást mutat a feszültség megszűnése után. Ez a nem visszafordítható rész fontos tényező bizonyos gumi anyagok alkalmazhatóságának meghatározásában. Számos nemzetközi szabvány és kínai szabvány létezik az elasztomerek vonatkozó RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs és deformációbeállási tulajdonságainak vizsgálatára, mint például az ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 és GB/T 1683.

A NETZSCH DMA 303 Eplexor^® segítségével azonban az anyag viselkedésének az alkalmazás szempontjából releváns körülmények közötti szimulálásával az anyag teljesítményére vonatkozó információkat is meg lehet szerezni.

Relaxációs és tömörítési készlet mérések a következő mérésekenA kapott és az utólag vulkanizált NBR mérésén

Két különböző NBR-mintát mértünk kompressziós üzemmódban a DMA 303 Eplexor^®® készülékkel, a megfelelő kompressziós acél mintatartó és tolórúd használatával, amint az a 2. ábrán látható. Az egyik egy átvett NBR-minta, amely 170 °C-on, statikus levegőn történő elsődleges vulkanizáláson ment keresztül, a másik pedig egy utóvulkanizált NBR-minta, amelyet 2 órán keresztül 170 °C-on, statikus levegőn lévő kemencében további hőkezelésnek vetettek alá. A minták átmérője 5,18 mm és 5,22 mm volt az átvett és az utóvulkanizált NBR minták esetében. A minta magasságát a DMA 303 Eplexor^® automatikus hosszérzékelési funkciójával határoztuk meg.

A kísérletet a következő hatszelvényes eljárással végeztük:

1. A mintával való érintkezés biztosítása érdekében 0,05 N statikus erőt alkalmaztunk a 25 °C-on 5 percig tartó IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus stabilizálás során. A szegmens végén megmértük a kezdeti vastagságot, _L0-t.
2. Ezután a hőmérsékletet 10 K ^min-1 fűtési sebességgel 100°C-ra emeltük.
3. A hőmérséklet stabilizálása és a teljes minta 100°C-on történő egyensúlyba hozása érdekében a hőmérsékletet a következő lépés előtt 5 percig tartottuk.
4. Az előző szakasz végén mért hossz alapján 25%-os statikus célfeszültséget alkalmaztunk. A feszültséget 60 percig tartottuk állandó értéken ezen a hőmérsékleten, és az erő és a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs modulus csökkenését figyeltük meg az idő függvényében a teljes szegmensben.
5. Az alkalmazott erőt a korábbi 0,05 N-ra csökkentettük, majd 10 ^Kmin-1 sebességgel visszahűtöttük 25 °C-ra.
6. A hőmérsékletet 20 percig állandóan 25°C-on tartottuk, hogy stabilizáljuk a hőmérsékletet, és a minta teljesen egyensúlyba kerüljön az adott hőmérsékleten. A szakasz végén újra megmértük a minta hosszát, _L1-et, és meghatároztuk a maradó, nem visszafordítható alakváltozást, ε = (_L1 - _L0)_/L0.

Kísérleti

Az első szegmens végén mért minta hossza _L0 = 7,722 mm. Miután a 100 °C-os IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus szegmens elején -25 %-os statikus feszültséget alkalmaztunk, a statikus erő a maximális 24,97 N értékről egy óra elteltével 20,41 N-ra csökken. Ennek megfelelően a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs modulus 4,77 MPa-ról 3,87 MPa-ra csökken. A mérés végén a próbatest hossza _L1 = 7,464 mm. Ez egy óra elteltével ε = -3,34 %-os maradó alakváltozásnak felel meg.

Az utóvulkanizált NBR-mintánál a fűtési szakasz kezdete előtt _L0 = 7,638 mm hosszúságot mértünk. A -25%-os statikus alakváltozáshoz 21,41 N kezdeti erőre van szükség, amely 100°C-on 1 óra elteltével 17,10 N-ra csökken. A RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs modulus a 4,06 MPa kezdeti értékről 3,19 MPa értékre csökken az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus szakasz során. A kísérlet végén _L1 = 7,509 mm hosszúságú próbatestet mértünk. Ezért a számított maradó alakváltozás ebben az esetben ε = -1,69% volt.

Mérési eredmények

Míg az átvett NBR még mindig -3,34%-os maradó alakváltozást mutat, addig az utólag vulkanizált NBR minta csak -1,69%-os értéket mutat. Ez azt mutatja, hogy a vulkanizálás utáni kezelés drasztikusan befolyásolja az NBR-t. A maradó alakváltozás körülbelül 50,6%-kal csökken az átvett állapothoz képest. Mikroszerkezeti szempontból a maradó alakváltozásban mutatkozó különbség a polimerláncok nagyobb mértékű intermolekuláris kémiai térhálósodásával magyarázható a vulkanizálás utáni NBR minta esetében. Ennek eredményeképpen mobilitásuk és konfigurációváltozási képességük megemelt hőmérsékleten és/vagy hosszabb idő alatt drasztikusan csökken. Mivel az irreverzibilis, viszkózus áramlás megköveteli a fő polimerláncok mozgását új metastabil konfigurációkba, a kémiai térhálósodás megnövekedett foka csökkenti a konfigurációs változások lehetőségét a minta deformációja során. Az irreverzibilis mikroszerkezeti változásokat makroszkopikus léptékben az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs szakasz alatti erőcsökkenés tükrözi, amint azt a 3. és 4. ábra mutatja.

A terméktervezők számára az elasztomerek utólagos vulkanizálásának előnye, hogy a terméken belül kevesebb fizikai és kémiai változásra számíthatnak a használat során, mint például az itt látható maradó alakváltozás. Ez lehetővé teszi számukra, hogy a végterméküket jobban az anyag alkalmazásához igazítsák.

Következtetés

Ezen túlmenően, a több nemzetközi szabvány szerint végzett RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs és nyomószilárdsági kísérletekkel összehasonlítva, a dinamikus mechanikai elemzés lehetővé teszi az erőcsökkenés in-situ megfigyelését is az állandó terhelések során. Ez további információkkal szolgálhat a termék tervezőjének az anyaguk használat közbeni viselkedéséről.