はじめに
アクリロニトリル・ブタジエン・ゴム（NBR、図1の構造式）は、アクリロニトリルとブタジエンモノマーの重合によって製造される共重合体である。このゴムの主な製造方法は低温乳化重合である[1]。コポリマーのアクリロニトリル含有量は一般的に18～50mol.-%である[1]。NBRは一般に、非極性溶媒に対する良好な耐性、高い耐摩耗性、ガス不透過性、良好な耐熱性を示す。その結果、ベローズ、ガスケット、その他のシール、ゴム手袋、耐油性靴底、印刷用ブランケットなど、さまざまな耐油性ゴム製品の製造に広く使用されており、自動車、航空、石油、包装、食品、印刷などの産業において不可欠な弾性材料となっている[2]。
NBR製品の中には、使用中に一定のひずみや高温にさらされるものがあります。したがって、緩和と変形セット（引張セットまたは圧縮セット）の知識は、製品設計の際に顧客にとって重要です。材料が一定のひずみのもとで使用される場合、より長い時間スケールや高温のもとでは材料応答が不可逆的になる可能性があります。その結果、ひずみが取り除かれた後に、材料がゼロではない永久変形を起こすことがあります。この非可逆的な部分は、特定のゴム材料の適用性を決定する上で重要な要素です。ASTM D395、GB/T 7759.1、GB/T 7759.2、GB/T 1683など、エラストマーの関連緩和および変形セット特性を試験するための国際規格や中国規格がいくつかあります。
しかし、これらの特性に関する材料性能に関する情報は、NETZSCH DMA 303Eplexor を使用して、用途に関連する条件下での材料挙動をシミュレーションすることによっても得ることができます。
NBRの緩和と圧縮永久歪の測定受入時と加硫後のNBR
の圧縮モードで2種類のNBR試料を測定した。 DMA 303 Eplexor®®図 2 に示すように、適切な圧縮用スチール製試料ホルダとプッシュ ロッドを用いて、2 種類の NBR 試料を圧縮モードで測定しました。1つは静止空気中で170℃の一次加硫工程を経た受入ままのNBR試料であり、もう1つは静止空気中のオーブンで170℃、2時間の熱処理を施した後加硫NBR試料である。試料の直径は、as-received NBR試料が5.18 mm、post-vulcanized NBR試料が5.22 mmであった。試料の高さはDMA 303Eplexor の自動長さ検出機能によって求めた。
実験は以下の6分割手順で行った：
- 25℃で5分間等温安定化させる間、試料との接触を確実にするために0.05Nの静的な力を加えた。セグメントの最後に、初期厚みL0を測定した。
- その後、10K min-1の加熱速度で100℃まで昇温した。
- 温度を安定させ、試料全体を100℃で平衡化させるため、次のステップの前に温度を5分間保持した。
- 前のセグメントの終了時に測定された長さに基づき、25%の目標静的ひずみを適用した。ひずみはこの温度で60分間一定に保たれ、力の減衰と緩和弾性率がセグメント全体を通して時間の関数として観察された。
- 加えていた力を以前の0.05 Nまで減少させた後、10 Kmin-1で25℃まで冷却した。
- 温度を安定させ、試料を所定の温度で完全に平衡化させるため、温度は25℃で20分間一定に保たれた。セグメントの終了時に、試料の長さL1を再度測定し、残留非可逆ひずみε = (L1-L0)/L0 を求めました。
実験的
最初のセグメントの終端で測定した試料の長さは、L0= 7.722 mmです。100℃の等温セグメントの最初に-25％の静的ひずみを加えた後、1時間後に静力は最大値24.97Nから20.41Nに減少した。緩和弾性率は4.77MPaから3.87MPaに減少した。測定終了時の試験片の長さはL1= 7.464 mmです。これは1時間後の残留ひずみε = -3.34 %に相当する。
加硫後のNBR試料については、加熱セグメント開始前にL0= 7.638 mmの長さを測定しました。静的ひずみ-25％には21.41Nの初期力が必要であり、100℃で1時間後には17.10Nまで減少する。緩和弾性率は、初期値の4.06MPaから等温区間中に3.19MPaまで減少した。実験終了時には、試験片の長さL1= 7.509 mmが測定された。したがって、この場合の計算残留ひずみはε = -1.69%であった。
測定結果
加硫前のNBRは-3.34%の残留ひずみを示したのに対し、加硫後のNBR試料は-1.69%にとどまった。このことは、加硫後処理によるNBRへの劇的な影響を示しており、残留ひずみがas-received状態と比較して約50.6％減少していることが強調されている。ミクロ構造の観点から見ると、残留ひずみの差は、加硫後のNBR試料ではポリマー鎖の分子間化学架橋の程度が高いことで説明できる。その結果、高温下および／またはより長い時間スケールで、ポリマー鎖の移動度と構成変化を起こす能力が大幅に低下します。不可逆的な粘性流動は、主ポリマー鎖を新しい準安定な構成に移動させる必要があるため、化学架橋の程度が高まると、試料の変形中に構成が変化する可能性が低下する。不可逆的な微細構造の変化は、図3および4に示すように、等温緩和セグメント中の力の減少によって巨視的スケールに反映される。
製品設計者にとって、エラストマーのポスト加硫の利点は、ここに示した残留ひずみのような、使用中の製品内の物理的・化学的変化が少なくなることである。このため、最終製品を材料の用途により近づけることができます。
結論
さらに、いくつかの国際規格に従って実施される緩和実験や圧縮セット実験と比較して、動的力学解析では、一定のひずみにおける力の減少をその場で観察することもできます。これにより、製品設計者は、使用中の材料の挙動に関する追加情報を得ることができます。