橡膠材料耐疲勞破壞性能因素的思考

董文華

（航宇救生裝備有限公司 441000）

橡膠材料耐疲勞破壞性能因素的思考

董文華

（航宇救生裝備有限公司 441000）

評(píng)價(jià)橡膠材料耐用性或抗破壞性的重要理論為橡膠疲勞壽命理論，這一理論涉及到影響橡膠制品耐用性的多方面因素。為了全面了解橡膠材料的耐受干擾因素，本文以科學(xué)方法展開相應(yīng)研究，希望為橡膠制造產(chǎn)業(yè)提供有效參考。

橡膠；耐疲勞破壞性；因素

1 前言

從橡膠疲勞受損的角度進(jìn)行分析，橡膠材質(zhì)的制成品被使用一段時(shí)間以后，其外部形狀會(huì)因外力作用而出現(xiàn)變形、彎曲、拉長等現(xiàn)象，此時(shí)，橡膠材料的物理性能及機(jī)械使用性將受到干擾，受損嚴(yán)重的部分有可能難以承受運(yùn)作效力，進(jìn)而影響到產(chǎn)品整體性能。基于此，深入探究影響橡膠材料的耐疲勞（或抗破壞）性能的各種因素，有助于優(yōu)化橡膠制品的性能指數(shù)。

2 橡膠材料配方方面的因素

2.1 材料類型方面

不同類型的橡膠材質(zhì)，其抗破損性、耐用性有較大差異。這是因?yàn)椴煌鹉z具有不同的受力結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這些結(jié)晶結(jié)構(gòu)和疲勞發(fā)生機(jī)制之間存在著緊密聯(lián)系性。當(dāng)受到合適壓迫力時(shí)，橡膠制品的應(yīng)力結(jié)晶能夠很好地分散破壞力，使性能不受干擾。此外，不同膠種材料具有不同的內(nèi)部配方情況，例如，硫化橡膠的實(shí)際性能和填料、硫化體系、外防機(jī)制有很大關(guān)系。因此，鑒別橡膠產(chǎn)品的耐損耗性能不能簡單考察種類問題，還應(yīng)綜合考慮多方面的具體因素[1]。

2.2 硫化體系方面

橡膠配方方面的硫化體系是決定產(chǎn)品內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。這一因素不僅影響到材料的交聯(lián)密度，而且還決定著橡膠制品的機(jī)械使用性能。一些實(shí)驗(yàn)證實(shí)，硫化橡膠在實(shí)際運(yùn)用中的壽命長短與硫化體系耐受時(shí)間的長短有關(guān)，而共混橡膠的實(shí)際使用壽命還和材料內(nèi)部缺損有關(guān)。

2.3 內(nèi)填材料方面

炭黑是補(bǔ)強(qiáng)橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成分之一，該成分能夠改進(jìn)材料的耐損耗性能。具體而言，橡膠填料作用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機(jī)理有：①填入相關(guān)材料后，膠料的滯后性能、實(shí)際硬度將受到相應(yīng)影響；②在橡膠外部的裂紋端部填放適量復(fù)合型結(jié)構(gòu)的材料，可能使裂紋端部出現(xiàn)偏離、鈍化現(xiàn)象；③填入的材料粒子大量凝聚后，會(huì)使缺陷尺寸得以有效增加?；谏鲜鰩c(diǎn)內(nèi)容，確定橡膠填料的實(shí)際用量時(shí)，要以“盡量降低裂紋擴(kuò)大速度”為標(biāo)準(zhǔn)，積極提升橡膠疲勞壽命。

2.4 各類化學(xué)劑影響

①軟化劑及增塑劑。在制造橡膠的過程里加入一定量的軟化劑或增塑劑，都會(huì)改變橡膠內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)活性與應(yīng)力活性。例如，把少許丙烯酸酯類化學(xué)劑接到橡膠IR分子鏈中，可將材料物理壽命增加15～25倍[2]。②防老化劑。在使用橡膠類制品的過程里，產(chǎn)品無可避免地受到多種外界因素（微生物、腐蝕物質(zhì)、臭氧等）的侵蝕干擾，致使橡膠分子的基本性能逐漸降低。為緩解這方面問題，于橡膠材料中放入不同類型的防老化化學(xué)劑，以起到減緩降解反應(yīng)的作用。此外，當(dāng)蠟類相關(guān)物質(zhì)移至膠料的外部或表層時(shí)，橡膠將不會(huì)接觸到外部環(huán)境的毒害物質(zhì)，使橡膠材料的內(nèi)部成分保持原有性質(zhì)，避免過度老化的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 外部環(huán)境及周圍條件方面的因素

3.1 氧氣影響

空氣中的氧氣會(huì)對(duì)橡膠表層形成一定程度的干擾影響，當(dāng)氧氣溶于橡膠表層分子中后，橡膠制品的老化速度會(huì)變快，且這種轉(zhuǎn)變不可逆。例如，橡膠材料或同類產(chǎn)品的受損裂紋增大以后，其門檻值的降低幅度會(huì)呈現(xiàn)逐步升高趨勢(shì)，而導(dǎo)致裂紋加速擴(kuò)大的因素之一就是氧氣。

3.2 臭氧影響

大氣環(huán)境中的臭氧是干擾橡膠物理壽命的一個(gè)較大因素。如果大氣中臭氧的實(shí)時(shí)含量達(dá)到或超出億分之幾時(shí)，橡膠內(nèi)部的彈性物質(zhì)將會(huì)被分解，即彈性體“碳－碳”分子鍵被阻斷[3]。在載荷量增大的前提之下，橡膠表層的裂開紋路會(huì)漸漸擴(kuò)大。相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐證明，橡膠疲勞性在臭氧較多的環(huán)境中表現(xiàn)得更為突出，同時(shí)使用壽命也呈現(xiàn)出逐步縮短的跡象。此外，氧氣、臭氧兩種氣體物質(zhì)對(duì)膠體的干擾表現(xiàn)不同，盡管在橡膠應(yīng)變較小的情況下，臭氧同樣會(huì)加快橡膠外部裂紋的擴(kuò)大速度。

3.3 溫度影響

橡膠受到外部實(shí)時(shí)溫度的影響，并且，不同膠體所能耐受的溫度值不同。一些橡膠對(duì)外界溫度的變化較為敏感。在基于位移控制的橡膠測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度由0℃升至100℃及以上時(shí)，填入天然橡膠的制品物理壽命縮短幅度為4倍，沒有填入天然橡膠的制品物理壽命縮短幅度為1萬倍。根據(jù)填充材料的劑量、類別調(diào)整膠體溫度變動(dòng)情況，進(jìn)而降低溫度對(duì)膠體的影響。此外，氧氣會(huì)增強(qiáng)溫度因素對(duì)膠體物理壽命的影響性，于無氧環(huán)境中做實(shí)驗(yàn)，大部分橡膠可耐受175℃溫值，但于有氧環(huán)境之中，橡膠處于175℃已然出現(xiàn)降解反應(yīng)，且速度較快[4]。

3.4 頻率影響

在疲勞損耗試驗(yàn)中，橡膠受到較高頻率的振動(dòng)干擾，細(xì)致觀察知，經(jīng)振動(dòng)試驗(yàn)后的橡膠體出現(xiàn)了損壞現(xiàn)象。將頻率保持為某一強(qiáng)度時(shí)，橡膠疲勞變化不明顯，因?yàn)椴煌瑥?qiáng)度的頻率對(duì)橡膠產(chǎn)生破壞值不同。低頻率時(shí)的橡膠發(fā)熱速度較慢，膠體溫值變化不大，機(jī)械疲勞度并不會(huì)誘發(fā)分子鏈分離現(xiàn)象；而處于高頻率環(huán)境中，機(jī)械疲勞度相對(duì)較大，發(fā)熱速度較快，橡膠體受到溫度變化因素的干擾，使材料內(nèi)部出現(xiàn)熱降解現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

當(dāng)前市場(chǎng)上有多種橡膠類產(chǎn)品，例如，車輪胎、減振器等。由于此類產(chǎn)品多處于動(dòng)態(tài)化的運(yùn)作環(huán)境當(dāng)中，因此，“提升橡膠抗損耗性、增強(qiáng)產(chǎn)品運(yùn)用壽命”是橡膠制造業(yè)普遍關(guān)注的重點(diǎn)問題。從橡膠配方與外界環(huán)境兩大方面對(duì)橡膠制品的耐疲勞（或耐破壞）性能展開探究，可以全面而系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)橡膠材料的各種干擾因素，進(jìn)而為提升橡膠性能的方法探索工作提供科學(xué)依據(jù)與相關(guān)指導(dǎo)。

[1]肖鋒，諶勇，孫靖雅，等.超彈性橡膠材料分層圓孔蜂窩防護(hù)覆蓋層動(dòng)態(tài)壓縮行為及性能研究[J].振動(dòng)與沖擊，2013，32（22）：14～20.

[2]曾令子，吳力立，熊經(jīng)雄.不同粒徑炭黑對(duì)寬溫域高阻尼橡膠材料阻尼和力學(xué)性能的影響[J].合成橡膠工業(yè)，2014，37（2）：136～138.

[3]李凡珠，張樹柏，劉金朋，等.本構(gòu)方程對(duì)橡膠材料裂紋尖端J積分有限元分析結(jié)果的影響[J].合成橡膠工業(yè)，2015，38（1）：31～34.

[4]仲健林，任杰，馬大為.基于Exp-ln模型與廣義黏彈性理論的橡膠本構(gòu)模型及其應(yīng)用研究[J].振動(dòng)與沖擊，2015，34（19）：151～155.

TQ330.1

A

1004-7344（2016）12-0294-01

2016-4-15