Högpresterande gummitätningar under realistiska användningsförhållanden med hjälp av DMA

Inledning

Akrylnitril-butadiengummi (NBR, strukturbild i figur 1) är en sampolymer som framställs genom polymerisation av monomererna akrylnitril och butadien. Den huvudsakliga processen som används för att tillverka detta gummi är emulsionspolymerisation vid låg temperatur [1]. Akrylnitrilhalten i sampolymererna är vanligtvis mellan 18 och 50 mol% [1]. NBR uppvisar i allmänhet god beständighet mot opolära lösningsmedel, hög nötningsbeständighet, gastäthet och god temperaturbeständighet. Därför används de ofta vid tillverkning av olika oljebeständiga gummiprodukter, t.ex. bälgar, packningar och andra tätningar, gummihandskar, oljebeständiga sulor, tryckdukar etc., och har blivit ett oumbärligt elastiskt material inom fordons-, flyg-, petroleum-, förpacknings-, livsmedels-, tryck- och andra industrier [2].

Vissa NBR-produkter utsätts för konstant belastning och förhöjda temperaturer under drift. Därför är kunskap om relaxation och deformation - antingen spänning eller kompression - viktig för kunden under produktdesignen. När ett material används under konstant belastning kan materialets respons bli irreversibel under längre tidsperioder och/eller högre temperaturer. Detta kan resultera i en permanent deformation av materialet som inte är noll efter att påfrestningen har upphört. Denna icke-reversibla del är en viktig faktor när det gäller att bestämma användbarheten för vissa gummimaterial. Det finns flera internationella standarder och kinesiska standarder för testning av relevanta relaxations- och deformationsuppsättningsegenskaper hos elastomerer, t.ex. ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 och GB/T 1683.

Information om materialets prestanda för dessa egenskaper kan emellertid också erhållas med NETZSCH DMA 303 Eplexor^® genom att simulera materialets beteende under applikationsrelevanta förhållanden.

Mätningar av relaxation och kompressionsuppsättning påNBR i befintligt och eftervulkaniserat tillstånd

Två olika NBR-prover mättes i kompressionsläge med DMA 303 Eplexor^®® med hjälp av lämplig provhållare och tryckstav av kompressionsstål, se figur 2. Det ena är ett NBR-prov som genomgick en primär vulkaniseringsprocess vid 170°C i statisk luft, och det andra är ett eftervulkaniserat NBR-prov som värmebehandlades ytterligare vid 170°C i 2 timmar i en ugn i statisk luft. Provets diameter var 5,18 mm och 5,22 mm för det mottagna respektive det postvulkaniserade NBR-provet. Provets höjd bestämdes med hjälp av den automatiska längddetekteringsfunktionen i DMA 303 Eplexor^®.

Experimentet utfördes enligt följande procedur med sex segment:

1. En statisk kraft på 0,05 N applicerades för att säkerställa kontakt med provet under IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermisk stabilisering vid 25°C i 5 min. I slutet av segmentet mättes den initiala tjockleken, _L0.
2. Temperaturen höjdes sedan till 100°C med en uppvärmningshastighet på 10 K ^min-1.
3. För att stabilisera temperaturen och låta hela provet uppnå jämvikt vid 100°C, hölls temperaturen i 5 minuter före nästa steg.
4. En statisk måltöjning på 25% baserad på den längd som uppmättes i slutet av föregående segment applicerades. Töjningen hölls konstant vid denna temperatur under 60 minuter och avklingningen av kraften och relaxationsmodulen observerades som en funktion av tiden under hela segmentet.
5. Den applicerade kraften minskades till den tidigare 0,05 N och kyldes sedan tillbaka till 25°C med 10 ^Kmin-1.
6. Temperaturen hölls konstant vid 25°C under 20 minuter för att stabilisera temperaturen och låta provet uppnå full jämvikt vid den givna temperaturen. I slutet av segmentet mättes provets längd,_L1, igen och den kvarvarande, icke-reversibla töjningen, ε = (_L1 - _L0)_/L0, bestämdes.

Experimentell

Provets längd uppmätt vid slutet av det första segmentet är _L0 = 7,722 mm. Efter applicering av en statisk töjning på -25 % i början av det isotermiska segmentet vid 100°C, minskar den statiska kraften från sitt maximala värde på 24,97 N till 20,41 N efter en timme. På motsvarande sätt sjunker relaxationsmodulen från 4,77 MPa till 3,87 MPa. Vid mätningens slut har provkroppen en längd på_L1 = 7,464 mm. Detta motsvarar en resttöjning på ε = -3,34 % efter en timme.

För det eftervulkaniserade NBR-provet uppmättes en längd på _L0 = 7,638 mm innan värmesegmentet påbörjades. Den statiska töjningen på -25% kräver en initial kraft på 21,41 N, som minskar till 17,10 N efter 1 timme vid 100°C. Relaxationsmodulen minskar från ett initialt värde på 4,06 MPa till 3,19 MPa under det isotermiska segmentet. I slutet av experimentet uppmättes en provkroppslängd på_L1 = 7,509 mm. Den beräknade resttöjningen i detta fall var därför ε = -1,69%.

Resultat av mätning

Medan den mottagna NBR fortfarande visar en resttöjning på -3,34%, visar det postvulkaniserade NBR-provet endast ett värde på -1,69%. Detta visar på ett drastiskt inflytande av behandlingen efter vulkaniseringsprocessen på NBR, vilket framhävs av minskningen av den kvarvarande töjningen med ca 50,6% jämfört med det mottagna tillståndet. Ur mikrostrukturell synvinkel kan skillnaden i resttöjning förklaras av den högre graden av intermolekylär kemisk tvärbindning av polymerkedjorna för det postvulkaniserade NBR-provet. Som ett resultat av detta minskar deras rörlighet och förmåga att genomgå konfigurationsförändringar vid förhöjda temperaturer och/eller under längre tidsskalor drastiskt. Eftersom irreversibelt, visköst flöde kräver att de huvudsakliga polymerkedjorna förflyttas till nya metastabila konfigurationer, minskar den ökade graden av kemisk tvärbindning möjligheterna till konfigurationsförändringar under deformation av provet. De irreversibla mikrostrukturella förändringarna återspeglas på den makroskopiska skalan av den minskade kraften under det isotermiska relaxationssegmentet, vilket visas i figurerna 3 och 4.

För produktkonstruktörer är fördelen med postvulkanisering av elastomerer att de kan förvänta sig färre fysiska och kemiska förändringar i produkten under användning, t.ex. den kvarvarande töjning som visas här. Detta gör det möjligt för dem att skräddarsy sin slutprodukt mer i enlighet med materialets användningsområde.

Slutsats

Jämfört med relaxations- och kompressionsförsök som utförs i enlighet med flera internationella standarder, möjliggör dynamisk mekanisk analys dessutom observation på plats av kraftminskningen under konstant belastning. Detta kan ge en produktdesigner ytterligare information om hur materialet beter sig under användning.