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應(yīng)用故事 | DMA評估橡膠密封材料性能

更新時間:2023-10-19      點擊次數(shù):766

橡膠密封件是密封技術(shù)中廣泛應(yīng)用的一類制品,因為橡膠材料具有優(yōu)異的粘彈性,較寬的工作溫度范圍,在較小的應(yīng)力下就可以產(chǎn)生變形、補償間隙,從而實現(xiàn)良好的密封效果。


常見的橡膠密封材料有丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、三元乙丙橡膠等,每種材料的性能都各有優(yōu)缺點,如丁腈橡膠耐油,但不耐酮、酯等介質(zhì),硅橡膠耐溫性能好,但不耐油。在選材和設(shè)計的時候,需要根據(jù)密封材料的應(yīng)用場景,綜合考慮溫度、機械載荷(如靜態(tài)密封或動態(tài)密封、是否有摩擦)、環(huán)境介質(zhì)(如有機溶劑、臭氧等)等多方面的因素。而且,很多情況下需要根據(jù)不同的性能要求,對材料進(jìn)行改性,因此每種橡膠可能有多種不同配方。


利用DMA可以分析橡膠材料的配方,對比或評估不同密封材料在一定載荷狀態(tài)下的性能,包括粘彈性能、疲勞性能、松弛性能、壓縮變形等,這對開發(fā)或選擇合適的材料有重要的參考意義。本文將以具體測試為例,介紹DMA在橡膠密封材料的應(yīng)用。

通過動態(tài)載荷下的溫度掃描測試,可以得到橡膠材料的特征轉(zhuǎn)變溫度,其中玻璃化轉(zhuǎn)變是最主要的轉(zhuǎn)變,在玻璃化溫度以下,橡膠處于玻璃態(tài),彈性差,密封效果不好,所以玻璃化溫度是橡膠材料應(yīng)用的下限溫度。除了玻璃化轉(zhuǎn)變,其他轉(zhuǎn)變可反應(yīng)橡膠中不同添加組分的變化情況。下圖是3個不同配方樣品的溫度掃描結(jié)果,測試采用拉伸模式,樣品尺寸為2mm x 6mm x 16mm,靜態(tài)應(yīng)變1.0%,動態(tài)應(yīng)變0.2%,頻率10Hz。

可以看出3#和4#的tand曲線主峰(對應(yīng)玻璃化轉(zhuǎn)變)峰值溫度基本一致(約-14℃),5#的tand峰值溫度略低(約-16℃),玻璃化溫度以下3#樣品模量最高,5#zui低;3個樣品在玻璃化轉(zhuǎn)變前后各有一個轉(zhuǎn)變,可能對應(yīng)不同填料/添加劑,4#和5#玻璃化轉(zhuǎn)變前的小峰溫度相同,3#略低;玻璃化轉(zhuǎn)變后的小峰3個樣品溫度各不相同,4#居中,3#最高。所以推測3#和4#基體一樣,4#、5#其中一種添加劑相同(對應(yīng)Tg前的轉(zhuǎn)變),Tg后的轉(zhuǎn)變可能由另外一種成分導(dǎo)致,3個樣品添加的成分可能不同。

為了達(dá)到密封效果,橡膠材料在工況下通常處于受壓狀態(tài),填充在機械部件接合的部位。在機械部件間隙一定的情況下,在時間和溫度的作用下,分子鏈在一定程度上重新排列或發(fā)生斷裂,導(dǎo)致維持同一形變量所需要的力(F)逐漸減小,與初始值F0相比,F(xiàn)值越小,泄漏的可能性越大。下圖對比了室溫、拉伸模式25%靜態(tài)應(yīng)變下3個樣品的應(yīng)力衰減過程,樣品尺寸為2mm x 6mm x 6mm。

為了方便對比F/F0值的變化,以時間為橫坐標(biāo),以F/F0為縱坐標(biāo)作圖如下,恒溫1小時后3個樣品的F/F0值由大到小分別為3#(0.603)、5#(0.585)和4#(0.553),說明4#樣品在此條件下發(fā)生泄漏的可能性最大。


對于靜態(tài)密封,橡膠材料在工況下會承受一定的靜態(tài)載荷,材料在載荷的作用下發(fā)生蠕變,隨著時間延長,形變量逐漸增大并趨于穩(wěn)定。撤銷載荷后尺寸逐漸恢復(fù),恢復(fù)的速度和程度與測試條件(包括載荷大小、溫度、作用時間等)及材料的彈性相關(guān),尺寸不能恢復(fù)的部分為壓縮變形。下圖為對比了3個樣品室溫下的壓縮變形結(jié)果,樣品尺寸Φ13mm x 6.5mm,蠕變過程的靜態(tài)載荷為2.3MPa,載荷維持30min后卸載,記錄尺寸恢復(fù)情況,直至尺寸基本不變化。

3個樣品在2.3MPa應(yīng)力的作用下,形變量都在25%左右,卸載后的形變量由小到大分別為3#(3.16%)、5#(3.65%)和4#(4.32%),4#樣品形變量最大,說明這個配方彈性較差,恢復(fù)性能不佳。

為了保證動態(tài)載荷下的密封效果,振動時密封件和機械部件之間不應(yīng)出現(xiàn)間隙,這就要求密封材料彈性好、內(nèi)耗小,具有快速的動態(tài)響應(yīng)能力:加載時發(fā)生形變儲存能量,卸載時及時恢復(fù)形變釋放能量。如果材料的阻尼高,內(nèi)耗大,響應(yīng)速度慢,形變不能及時恢復(fù),就容易導(dǎo)致泄漏。材料的動態(tài)響應(yīng)性能與溫度、頻率、形變量相關(guān),需要結(jié)合工況進(jìn)行評估。下圖對比了2種配方的材料在不同應(yīng)變下的彈性和內(nèi)耗,測試采用壓縮模式,樣品尺寸Φ10mm x2mm,頻率10Hz,靜態(tài)應(yīng)變25%,動態(tài)應(yīng)變掃描范圍0.01%-1.4%。


動態(tài)應(yīng)變小于0.1%時,2個樣品的損耗因子非常接近,5#的模量略高,應(yīng)變大于0.1%時,隨著應(yīng)變增大,模量都呈下降趨勢,5#樣品下降趨勢更快,2個樣品模量值的差異減小,損耗因子都呈增大趨勢,且5#樣品的增大趨勢明顯快于3#。說明在小應(yīng)變下2個樣品的響應(yīng)性能基本接近,密封性能差別不大,應(yīng)變增大時3#樣品的響應(yīng)性能優(yōu)于5#,更不容易泄漏。

綜上,利用DMA可以分析橡膠材料的配方,結(jié)合工況條件評估密封材料的松弛、壓縮變形、疲勞及動態(tài)響應(yīng)性能等,有助于開發(fā)或選擇合適的密封材料。

作者

王榮

耐馳儀器公司應(yīng)用實驗室



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