不同條件下硫化橡膠的動(dòng)態(tài)黏彈性能分析

林 偉， 景 倩， 王 娜， 韓文馳， 方慶紅

(沈陽化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110142)

橡膠材料在生活和工程中都有極為廣泛的應(yīng)用，該材料不僅具有低剛度、高彈性的特點(diǎn)，還具有黏彈性能.橡膠材料的黏彈滯后生熱是其疲勞破壞的重要影響因素，直接關(guān)系到橡膠制品的結(jié)構(gòu)、性能和使用壽命.滯后圈是衡量材料每次循環(huán)損失能量的一個(gè)重要指標(biāo)，可用于橡膠制品動(dòng)態(tài)性能研究.許多學(xué)者針對(duì)此概念進(jìn)行討論:王進(jìn)［1］等考察了預(yù)應(yīng)力與滯回曲線包圍面積之間的關(guān)系;劉宇艷［2］等研究了加載頻率對(duì)滯回曲線的影響;何燕［3］等研究了橡膠的生熱特性.橡膠材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，其滯后效應(yīng)產(chǎn)生的能量損失造成了橡膠材料的溫升，該溫升對(duì)材料性能有較大的影響［4］.因此，了解橡膠材料的生熱機(jī)理及其影響因素，對(duì)提高橡膠材料的性能和壽命有著至關(guān)重要的作用.

本文采用動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，測(cè)定硫化橡膠在周期載荷作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(滯回曲線)，考察預(yù)應(yīng)力、加載頻率、環(huán)境溫度對(duì)滯回曲線的影響及損耗因子與頻率、溫度的關(guān)系，為橡膠材料的性能研究和橡膠制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及配方

實(shí)驗(yàn)原料配方(質(zhì)量份數(shù)):順丁橡膠(BR) 60.0，丁苯橡膠(SBR)40.0，炭黑(N330)50.0，防老劑(4010)1.0，氧化鋅5.0，硬脂酸2.0，促進(jìn)劑1.5，硫黃1.1.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

開放式煉膠機(jī)(XK-160型)，青島環(huán)球機(jī)械股份有限公司;橡膠硫化測(cè)定儀(GT-M2000-A型)，高鐵科技股份有限公司;動(dòng)態(tài)仿真儀(VS-2001型)，華中科技有限公司.

1.3 試件制備

先將順丁橡膠、丁苯橡膠在開煉機(jī)上包輥，依次加入防老劑、促進(jìn)劑、氧化鋅和硬脂酸，充分混煉后再逐步加入炭黑進(jìn)行混煉，最后加入硫黃混煉均勻后出片.放置8 h后，將混煉膠片在平板硫化機(jī)上于150℃硫化成直徑17.8 mm、高度25 mm的圓柱形試件.

1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

采用VS-2001動(dòng)態(tài)仿真儀對(duì)不同條件下橡膠的動(dòng)態(tài)性能表現(xiàn)進(jìn)行仿真模擬，測(cè)得橡膠動(dòng)態(tài)情況下潛在的黏彈性變化.實(shí)驗(yàn)通過改變預(yù)應(yīng)力、加載頻率、環(huán)境溫度測(cè)定BR/SBR硫化橡膠在周期載荷作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線與損耗因子.

2 結(jié)果與討論

2.1 滯后圈的影響因素

在交變載荷下，黏彈性材料產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變之間會(huì)存在一個(gè)相位角，形成滯回曲線，即滯后圈.滯后圈是衡量材料每次循環(huán)損失能量的一個(gè)重要指標(biāo)，所包圍的面積表示一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)單位體積的橡膠克服內(nèi)部摩擦力消耗的機(jī)械功，即內(nèi)耗［5］.能量耗散的計(jì)算公式為:

其中:σ為應(yīng)力，單位為Pa;ε為應(yīng)變;W是單位能耗，單位為J/m3.這種材料內(nèi)部能量的損失會(huì)成為熱源，引起材料溫度的升高，而較高的溫度將導(dǎo)致硫化橡膠化學(xué)性能和物理性能的下降，影響橡膠制品的使用壽命和安全性.針對(duì)影響硫化橡膠特性的幾個(gè)主要因素，即預(yù)應(yīng)力、加載頻率和環(huán)境溫度對(duì)橡膠材料滯回曲線的影響進(jìn)行分析.

2.1.1 預(yù)應(yīng)力對(duì)滯后圈的影響

在環(huán)境溫度為55℃、載荷頻率為30 Hz、固定振幅為2.5 mm的條件下，采用壓-壓位移控制模式，分別對(duì)試件施加0.44 MPa、0.66 MPa的預(yù)應(yīng)力，壓縮25 min，測(cè)得滯后圈如圖1所示.

從圖1可以看出:相同加載頻率下，預(yù)應(yīng)力大小對(duì)滯回曲線的形狀影響不大，接近橢圓程度相當(dāng).隨預(yù)應(yīng)力的增大，應(yīng)力和應(yīng)變幅值都有不同程度的增大，應(yīng)力幅值由5 kPa增大到10 kPa，應(yīng)變幅值由8%增大到10%;滯回曲線包圍的面積也增大，根據(jù)能耗公式計(jì)算出預(yù)應(yīng)力0.44 MPa時(shí)的能耗是29.5 J/m3，0.66 MPa時(shí)的能耗是60.9 J/m3，說明材料的能耗增大.在周期載荷作用下，預(yù)應(yīng)力大的形變嚴(yán)重滯后于應(yīng)力，克服內(nèi)部摩擦力做的機(jī)械功多，能量損失大.

圖1 不同預(yù)應(yīng)力時(shí)的滯后圈Fig.1 Hysteretic loop at different pre-stress

2.1.2 加載頻率對(duì)滯后圈的影響

在環(huán)境溫度為55℃、預(yù)應(yīng)力為0.44 MPa、固定振幅為2.5 mm的條件下，采用壓-壓位移控制模式，分別在5 Hz、15 Hz、25 Hz頻率下將試件壓縮25 min，得到滯后圈如圖2所示.

圖2 不同頻率時(shí)的滯后圈Fig.2 Hysteretic loop at different frequency

由圖2可以看出:橡膠材料呈現(xiàn)非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，滯后圈不是規(guī)則的橢圓形狀，而是明顯向下彎曲，隨著加載頻率的增大，其彎曲程度越明顯，滯回曲線包圍的面積增大即能耗增大，根據(jù)能耗公式計(jì)算出頻率5 Hz時(shí)的能耗是25.1 J/m3，15 Hz時(shí)的能耗是42.6 J/m3，25 Hz時(shí)的能耗是93.3 J/m3，能耗變化趨勢(shì)如圖3所示，說明橡膠材料黏滯效應(yīng)與加載頻率有關(guān).5 Hz時(shí)應(yīng)力幅值為5.5 kPa，應(yīng)變幅值為9%，15 Hz時(shí)應(yīng)力幅值為5 kPa，應(yīng)變幅值為10%，25 Hz時(shí)應(yīng)力幅值為7 kPa，應(yīng)變幅值為13%.從上述數(shù)據(jù)可知:隨著加載頻率的增大，橡膠材料的應(yīng)力與應(yīng)變幅值均有變化，且25 Hz時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變幅值明顯大于5 Hz、15 Hz時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變幅值，故其滯后圈位于二者之間，可以看出加載頻率對(duì)硫化橡膠材料的滯后效應(yīng)有很明顯的影響［6］.

圖3 不同頻率時(shí)的能耗Fig.3 Dissipated power at different frequency

2.1.3 環(huán)境溫度對(duì)滯后圈的影響

滯后圈除與載荷和加載頻率有關(guān)外，還會(huì)受到其所處環(huán)境溫度的影響.圖4是環(huán)境溫度分別為60℃、90℃和120℃時(shí)，試件在頻率為30 Hz、預(yù)應(yīng)力為0.66 MPa，位移控制模式為壓-壓，固定振幅為2.5 mm的條件下壓縮5 000次測(cè)得的滯后圈.

圖4 不同環(huán)境溫度時(shí)的滯后圈Fig.4 Hysteretic loop at different temperature

從圖4可以看出:隨著環(huán)境溫度的升高，滯后圈越來越不規(guī)則，滯后現(xiàn)象變的不明顯，應(yīng)力和應(yīng)變幅值都顯著減小，與60℃、90℃相比，120℃時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變幅值變化最小，因其溫度高，初始變形大，所以滯后圈位于二者之間;滯回曲線包圍的面積有減小的趨勢(shì).根據(jù)能耗公式計(jì)算出60℃時(shí)的能耗是55.4 J/m3，90℃時(shí)的能耗是26.8 J/m3，120℃時(shí)的能耗是11.1 J/m3，能耗變化趨勢(shì)如圖5所示.這與橡膠材料的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，隨著溫度的升高，分子鏈段運(yùn)動(dòng)松弛時(shí)間變短，運(yùn)動(dòng)單元逐漸跟得上外力變化，從而引起滯后減少，伴隨分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量損耗隨之變?。?］.這與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的損耗因子變化規(guī)律相符合，60℃時(shí)測(cè)得的損耗因子為0.096 6，90℃時(shí)測(cè)得損耗因子為0.095 7，120℃時(shí)測(cè)得損耗因子為0.088 0，表明隨著環(huán)境溫度的升高，能耗呈減小的趨勢(shì).

圖5 不同環(huán)境溫度時(shí)的能耗Fig.5 Dissipated power at different temperature

2.2 損耗因子的影響因素

損耗因子tanδ通常稱為阻尼系數(shù)，表征阻尼材料的阻尼性能，反映材料形變過程中損耗能量的能力，公式表示為:

其中:E″為材料損耗模量，E'為材料儲(chǔ)能模量.橡膠在交變載荷下必然將一部分振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌簦鸬阶枘嶙饔?

2.2.1 頻率對(duì)損耗因子的影響

在環(huán)境溫度為25℃、預(yù)應(yīng)力為0.02 MPa、固定振幅為2.5 mm的條件下，采用壓-壓位移控制模式，試件在不同頻率下壓縮5 000次，測(cè)得的損耗因子如圖6所示.

圖6 不同頻率下的損耗因子Fig.6 Loss factor at different frequency

由圖6可看出:總的趨勢(shì)是損耗因子隨著加載頻率的增加而增大，說明材料的耗能大小與加載頻率正相關(guān)，但低頻下黏彈材料的損耗因子隨著頻率的改變而變化的情況并不如高頻時(shí)顯著，所以，工程上與研究中會(huì)盡量使黏彈材料在低頻下工作，一般低于4 Hz，目的就是避免發(fā)生滯后生熱現(xiàn)象.

2.2.2 環(huán)境溫度對(duì)損耗因子的影響

在預(yù)應(yīng)力為0.02 MPa、固定振幅為2.5 mm的條件下，采用壓-壓位移控制模式，分別在10 Hz、20 Hz、30 Hz下將試件于不同環(huán)境溫度下壓縮5 000次，測(cè)得的損耗因子如圖7所示.由圖7可看出:損耗因子隨環(huán)境溫度的升高而快速減小.結(jié)果顯示與圖5表明的趨勢(shì)一致，即隨著溫度的提高材料的能耗逐漸減小.一般黏彈材料都在高彈態(tài)使用，隨著溫度的升高，材料從硬到軟，模量發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的急劇下降，損耗因子也發(fā)生較大的變化，所以，溫度是影響?zhàn)棽牧闲阅艿淖钪饕蛩?不同頻率下的損耗因子隨溫度的升高而降低速率不同，30 Hz時(shí)下降最快，10 Hz與20 Hz下降速率相差不大，但隨著溫度的增加，10 Hz時(shí)下降的更慢些.

圖7 不同頻率下的損耗因子與溫度的關(guān)系Fig.7 Loss factor change with temperature at different frequency

3 結(jié)論

對(duì)硫化橡膠進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，分別考察了預(yù)應(yīng)力、加載頻率和環(huán)境溫度對(duì)橡膠滯回曲線的影響及損耗因子與頻率、溫度的關(guān)系，得到如下結(jié)論:

(1)相同加載頻率、環(huán)境溫度下，隨預(yù)應(yīng)力的增大，滯回曲線包圍的面積增大，材料的內(nèi)耗增大.

(2)相同預(yù)應(yīng)力、環(huán)境溫度下，隨著加載頻率的增大，滯回曲線下彎程度明顯，所包圍的面積增大，材料的內(nèi)耗增大.

(3)相同預(yù)應(yīng)力、加載頻率下，隨著環(huán)境溫度的升高，滯后圈形狀越來越不規(guī)則，滯后現(xiàn)象變得不明顯，滯后圈所包圍的面積有減小的趨勢(shì)，說明在較高溫度(在一定范圍內(nèi))下，材料的力學(xué)內(nèi)耗減小.

(4)損耗因子隨溫度的升高而減小，隨頻率的增加而增大，低頻下黏彈材料的損耗因子隨著頻率的改變而變化的情況不如高頻時(shí)顯著.

［1］ 王進(jìn)，楊軍，唐先賀.橡膠疲勞破壞性能的研究［C］//2004年國際橡膠會(huì)議中文論壇文集.北京:中國化工學(xué)會(huì)，2004:123－126.

［2］ 劉宇艷，譚惠豐，杜星文.單向簾線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料在周期載荷下的動(dòng)態(tài)粘彈性［J］.高技術(shù)通訊，2002(4):55－59.

［3］ 何燕，馬連湘，盛保信，等.航空輪胎硫化橡膠的生熱特性［C］//2004年國際橡膠會(huì)議論文集.北京:中國化工學(xué)會(huì)，2004:171－174.

［4］ 田振輝，譚惠豐，萬志敏，等.鋼絲簾線橡膠復(fù)合材料疲勞特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2001，18 (3):106－110.

［5］ 程鋼，趙國群，管延錦，等.輪胎橡膠材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.彈性體，2003，13(4):6－9.

［6］ 楊挺青，羅文波，徐平，等.黏彈性理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2004:4－5.

［7］ 金日光，華幼卿.高分子物理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:180－204.