Etanșări din cauciuc de înaltă performanță în condiții de aplicare realiste cu ajutorul DMA

Introducere

Cauciucul acrilonitril butadienic (NBR, formual structural în figura 1) este un copolimer produs prin polimerizarea monomerilor acrilonitrilici și butadienici. Principalul proces utilizat pentru fabricarea acestui cauciuc este polimerizarea în emulsie la temperatură scăzută [1]. Conținutul de acrilonitril din copolimeri este de obicei între 18 și 50 mol.-% [1]. NBR prezintă în general o bună rezistență la solvenții nepolari, rezistență ridicată la abraziune, impermeabilitate la gaze și o bună rezistență la temperatură. Ca urmare, acestea sunt utilizate pe scară largă în fabricarea diferitelor produse din cauciuc rezistente la uleiuri, cum ar fi burdufuri, garnituri și alte etanșări, mănuși de cauciuc, tălpi rezistente la uleiuri, pături de imprimare etc., și au devenit un material elastic indispensabil în industria auto, aviatică, petrolieră, de ambalare, alimentară, de imprimare și în alte industrii [2].

Unele produse NBR sunt supuse unei tensiuni constante și unor temperaturi ridicate în timpul utilizării. Prin urmare, cunoașterea setului de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare și deformare - fie de tensiune, fie de compresie - este importantă pentru client în timpul proiectării produsului. Atunci când un material este utilizat în condiții de întindere constantă, răspunsul materialului poate deveni ireversibil pe scări de timp mai lungi și/sau la temperaturi mai ridicate. Acest lucru poate duce la o deformare permanentă, diferită de zero, a materialului după eliminarea tensiunii. Această parte nereversibilă este un factor important în determinarea aplicabilității anumitor materiale din cauciuc. Există mai multe standarde internaționale și standarde chineze pentru testarea proprietăților relevante de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare și deformare ale elastomerilor, cum ar fi ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 și GB/T 1683.

Cu toate acestea, informațiile privind performanța materialului pentru aceste proprietăți pot fi obținute și cu NETZSCH DMA 303 Eplexor^® prin simularea comportamentului materialului în condiții relevante pentru aplicație.

Măsurători ale setului de relaxare și compresie peNBR recepționat și post-vulcanizat

Două probe diferite de NBR au fost măsurate în modul compresie cu DMA 303 Eplexor^®® folosind suportul de probă din oțel pentru compresie și tija de împingere corespunzătoare, așa cum se arată în figura 2. Una este o probă NBR recepționată care a fost supusă unui proces de vulcanizare primară la 170°C în aer static, iar cealaltă este o probă NBR post-vulcanizată care a fost tratată termic suplimentar la 170°C timp de 2 h într-un cuptor în aer static. Diametrul probelor a fost de 5,18 mm și 5,22 mm pentru probele NBR recepționate și, respectiv, post-vulcanizate. Înălțimea probei a fost determinată de funcția de detectare automată a lungimii a DMA 303 Eplexor^®.

Experimentul a fost realizat utilizând următoarea procedură în șase segmente:

1. O forță statică de 0,05 N a fost aplicată pentru a asigura contactul cu proba în timpul stabilizării izoterme la 25°C timp de 5 min. La sfârșitul segmentului, grosimea inițială, _L0, a fost măsurată.
2. Temperatura a fost apoi ridicată la 100°C la o rată de încălzire de 10 K ^min-1.
3. Pentru a stabiliza temperatura și a permite întregii probe să se echilibreze la 100°C, temperatura a fost menținută timp de 5 minute înainte de etapa următoare.
4. A fost aplicată o deformare statică țintă de 25 % bazată pe lungimea măsurată la sfârșitul segmentului anterior. Tensiunea a fost menținută constantă la această temperatură timp de 60 min, iar scăderea forței și a modulului de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare a fost observată în funcție de timp de-a lungul segmentului.
5. Forța aplicată a fost redusă la valoarea anterioară de 0,05 N și apoi răcită înapoi la 25°C cu 10 ^Kmin-1.
6. Temperatura a fost menținută constantă la 25 °C timp de 20 min pentru a stabiliza temperatura și a permite probei să se echilibreze complet la temperatura dată. La sfârșitul segmentului, lungimea probei,_L1, a fost măsurată din nou și s-a determinat deformația reziduală, nereversibilă, ε = (_L1 - _L0)_/L0.

Experimental

Lungimea eșantionului măsurată la sfârșitul primului segment este _L0 = 7,722 mm. După aplicarea unei deformații statice de -25 % la începutul segmentului izoterm la 100 °C, forța statică scade de la valoarea sa maximă de 24,97 N la 20,41 N după o oră. În mod corespunzător, modulul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare scade de la 4,77 MPa la 3,87 MPa. La sfârșitul măsurătorii, epruveta are o lungime de_L1 = 7,464 mm. Aceasta corespunde unei deformații reziduale de ε = -3,34 % după o oră.

Pentru proba NBR post-vulcanizată, a fost măsurată o lungime de _L0 = 7,638 mm înainte de începerea segmentului de încălzire. Deformarea statică de -25 % necesită o forță inițială de 21,41 N, care scade la 17,10 N după 1 h la 100°C. Modulul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare scade de la o valoare inițială de 4,06 MPa la 3,19 MPa în timpul segmentului izoterm. La sfârșitul experimentului, a fost măsurată o lungime a epruvetei de_L1 = 7,509 mm. Prin urmare, deformația reziduală calculată în acest caz a fost ε = -1,69%.

Rezultatele măsurătorilor

În timp ce NBR-ul primit prezintă încă o deformație reziduală de -3,34%, eșantionul de NBR post-vulcanizat prezintă o valoare de doar -1,69%. Acest lucru arată o influență drastică a tratamentului procesului de post-vulcanizare asupra NBR, evidențiată de reducerea deformației reziduale cu aproximativ 50,6% în comparație cu starea ca-recepție. Din punct de vedere microstructural, diferența de deformare reziduală poate fi explicată prin gradul mai ridicat de reticulare chimică intermoleculară a lanțurilor polimerice pentru proba de NBR post-vulcanizată. Prin urmare, mobilitatea și capacitatea acestora de a suferi modificări configuraționale la temperaturi ridicate și/sau în intervale de timp mai lungi este drastic redusă. Deoarece curgerea ireversibilă și vâscoasă necesită deplasarea lanțurilor polimerice principale în noi configurații metastabile, gradul crescut de reticulare chimică reduce posibilitățile de schimbări configuraționale în timpul deformării probei. Modificările microstructurale ireversibile sunt reflectate la scară macroscopică prin reducerea forței în timpul segmentului de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare izotermă, după cum se arată în figurile 3 și 4.

Pentru proiectanții de produse, avantajul post-vulcanizării elastomerilor este că se pot aștepta la mai puține modificări fizice și chimice în cadrul produsului lor în timpul utilizării, cum ar fi deformarea reziduală prezentată aici. Acest lucru le permite să își adapteze produsul final mai îndeaproape la aplicația materialului.

Concluzie

În plus, în comparație cu experimentele de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare și compresie efectuate în conformitate cu mai multe standarde internaționale, analiza mecanică dinamică permite, de asemenea, observarea in situ a reducerii forței în timpul deformării constante. Acest lucru poate oferi unui proiectant de produs informații suplimentare cu privire la comportamentul materialului său în exploatare.