DMA Yardımıyla Gerçekçi Uygulama Koşulları Altında Yüksek Performanslı Kauçuk Contalar

Giriş

Akrilonitril bütadien kauçuk (NBR, şekil 1'deki yapısal form), akrilonitril ve bütadien monomerlerinin polimerizasyonu ile üretilen bir kopolimerdir. Bu kauçuğu üretmek için kullanılan ana işlem düşük sıcaklıkta emülsiyon polimerizasyonudur [1]. Kopolimerlerin akrilonitril içeriği tipik olarak %18 ila 50 mol arasındadır [1]. NBR'ler genellikle polar olmayan çözücülere karşı iyi direnç, yüksek aşınma direnci, gaz geçirimsizliği ve iyi sıcaklık direnci gösterirler. Sonuç olarak, körükler, contalar ve diğer contalar, lastik eldivenler, yağa dayanıklı tabanlar, baskı örtüleri gibi çeşitli yağa dayanıklı kauçuk ürünlerin üretiminde yaygın olarak kullanılırlar ve otomotiv, havacılık, petrol, ambalaj, gıda, baskı ve diğer endüstrilerde vazgeçilmez bir elastik malzeme haline gelmişlerdir [2].

Bazı NBR ürünleri servis sırasında sürekli gerilmeye ve yüksek sıcaklıklara maruz kalır. Bu nedenle, gevşeme ve deformasyon setinin (gerilim veya sıkıştırma seti) bilinmesi, ürün tasarımı sırasında müşteri için önemlidir. Bir malzeme sabit gerinim altında kullanıldığında, malzeme tepkisi daha uzun zaman ölçeklerinde ve/veya daha yüksek sıcaklıklarda geri döndürülemez hale gelebilir. Bu durum, gerinim ortadan kalktıktan sonra malzemede sıfır olmayan, kalıcı bir deformasyona yol açabilir. Bu geri dönüşü olmayan kısım, belirli kauçuk malzemelerin uygulanabilirliğini belirlemede önemli bir faktördür. Elastomerlerin ilgili gevşeme ve deformasyon seti özelliklerini test etmek için ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 ve GB/T 1683 gibi çeşitli uluslararası standartlar ve Çin standartları vardır.

Bununla birlikte, bu özellikler için malzeme performansı hakkında bilgi, uygulama ile ilgili koşullar altında malzeme davranışını simüle ederek NETZSCH DMA 303 Eplexor^® ile de elde edilebilir.

Gevşeme ve Sıkıştırma Seti ÖlçümleriAlındığı Gibi ve Vulkanizasyon Sonrası NBR

İki farklı NBR numunesi, şekil 2'de gösterildiği gibi uygun sıkıştırma çeliği numune tutucusu ve itme çubuğu kullanılarak DMA 303 Eplexor^®® ile sıkıştırma modunda ölçülmüştür. Biri, statik havada 170°C'de birincil vulkanizasyon işlemine tabi tutulan alındığı haliyle bir NBR numunesi, diğeri ise statik havada bir fırında 2 saat boyunca 170°C'de daha fazla ısıl işleme tabi tutulan vulkanizasyon sonrası bir NBR numunesidir. Numunelerin çapı, alındığı gibi ve vulkanize edildikten sonra NBR numuneleri için sırasıyla 5,18 mm ve 5,22 mm'dir. Numunenin yüksekliği DMA 303 Eplexor^® cihazının otomatik uzunluk algılama özelliği ile belirlenmiştir.

Deney aşağıdaki altı segmentli prosedür kullanılarak gerçekleştirilmiştir:

1. 25°C'de 5 dakika boyunca İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal stabilizasyon sırasında numune ile teması sağlamak için 0,05 N'luk statik bir kuvvet uygulanmıştır. Segmentin sonunda başlangıç kalınlığı olan _L0 ölçülmüştür.
2. Daha sonra sıcaklık 10 K ^min-1 ısıtma hızıyla 100°C'ye yükseltilmiştir.
3. Sıcaklığı stabilize etmek ve tüm numunenin 100°C'de dengelenmesine izin vermek için, sıcaklık bir sonraki adımdan önce 5 dakika tutuldu.
4. Önceki segmentin sonunda ölçülen uzunluğa bağlı olarak %25'lik bir hedef statik gerinim uygulanmıştır. Gerinim bu sıcaklıkta 60 dakika boyunca sabit tutulmuş ve segment boyunca zamanın bir fonksiyonu olarak kuvvetin ve gevşeme modülünün azalması gözlemlenmiştir.
5. Uygulanan kuvvet önceki 0,05 N'ye düşürülmüş ve ardından 10 ^Kmin-1 hızında 25°C'ye geri soğutulmuştur.
6. Sıcaklığı stabilize etmek ve numunenin verilen sıcaklıkta tamamen dengelenmesine izin vermek için sıcaklık 20 dakika boyunca 25°C'de sabit tutulmuştur. Segmentin sonunda numunenin uzunluğu, _L1, tekrar ölçülmüş ve artık, tersinmez gerinim, ε = (_L1 - _L0)_/L0, belirlenmiştir.

Deneysel

İlk segmentin sonunda ölçülen numune uzunluğu _L0 = 7,722 mm'dir. 100°C'de İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal segmentin başlangıcında -%25'lik bir statik gerilme uygulandıktan sonra, statik kuvvet bir saat sonra maksimum değeri olan 24,97 N'den 20,41 N'ye düşer. Buna paralel olarak gevşeme modülü de 4,77 MPa'dan 3,87 MPa'ya düşer. Ölçümün sonunda, numune _L1 = 7,464 mm uzunluğa sahiptir. Bu, bir saat sonra ε = % -3,34'lük bir artık gerilmeye karşılık gelir.

Vulkanizasyon sonrası NBR numunesi için, ısıtma segmentinin başlamasından önce _L0 = 7,638 mm'lik bir uzunluk ölçülmüştür. 25'lik statik gerilme 21,41 N'luk bir başlangıç kuvveti gerektirir ve bu kuvvet 100°C'de 1 saat sonra 17,10 N'a düşer. Gevşeme modülü, İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal segment sırasında başlangıç değeri olan 4,06 MPa'dan 3,19 MPa'ya düşmektedir. Deneyin sonunda, _L1 = 7.509 mm'lik bir numune uzunluğu ölçülmüştür. Dolayısıyla, bu durumda hesaplanan artık gerinim ε = -1.69% olmuştur.

Ölçüm Sonuçları

Alındığı haliyle NBR hala -%3,34'lük bir artık gerinim gösterirken, vulkanizasyon sonrası NBR numunesi yalnızca -%1,69'luk bir değer göstermektedir. Bu durum, vulkanizasyon sonrası proses işleminin NBR üzerinde ciddi bir etkiye sahip olduğunu göstermekte olup, kalıntı gerilmenin alındığı duruma kıyasla yaklaşık %50,6 oranında azaldığı vurgulanmaktadır. Mikroyapısal açıdan bakıldığında, artık gerilmedeki fark, vulkanizasyon sonrası NBR numunesi için polimer zincirlerinin moleküller arası kimyasal çapraz bağlanma derecesinin daha yüksek olmasıyla açıklanabilir. Sonuç olarak, hareketlilikleri ve yüksek sıcaklıklarda ve/veya daha uzun zaman ölçeklerinde konfigürasyonel değişikliklere uğrama kabiliyetleri büyük ölçüde azalır. Geri dönüşümsüz, viskoz akış ana polimer zincirlerinin yeni metastabil konfigürasyonlara hareketini gerektirdiğinden, artan kimyasal çapraz bağlanma derecesi numunenin deformasyonu sırasında konfigürasyonel değişiklik olasılıklarını azaltır. Tersinmez mikroyapısal değişiklikler, şekil 3 ve 4'te gösterildiği gibi İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal gevşeme segmenti sırasında kuvvetteki azalma ile makroskopik ölçeğe yansıtılır.

Ürün tasarımcıları için, elastomerlerin vulkanizasyon sonrası avantajı, hizmet sırasında ürünlerinde burada gösterilen artık gerilme gibi daha az fiziksel ve kimyasal değişiklik beklemeleridir. Bu da nihai ürünlerini malzemenin uygulamasına daha yakın bir şekilde uyarlamalarını sağlar.

Sonuç

Buna ek olarak, çeşitli uluslararası standartlara uygun olarak gerçekleştirilen gevşeme ve sıkıştırma seti deneyleriyle karşılaştırıldığında, dinamik mekanik analiz, sabit gerilme sırasında kuvvetteki azalmanın yerinde gözlemlenmesine de olanak tanır. Bu, bir ürün tasarımcısına malzemelerinin hizmetteki davranışı hakkında ek bilgi sağlayabilir.