丁腈橡膠密封圈高溫老化行為——自由狀態(tài)和承壓狀態(tài)

唐慶云，李鍇

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丁腈橡膠密封圈高溫老化行為——自由狀態(tài)和承壓狀態(tài)

唐慶云1,2,3，李鍇1,2,3

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣州 510610）

研究丁腈橡膠密封圈自由狀態(tài)和承壓狀態(tài)下的高溫老化行為。以拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率為參數(shù)，對(duì)各溫度下的老化行為進(jìn)行表征和分析。70 ℃條件下機(jī)械應(yīng)力大大加快了橡膠密封件拉伸強(qiáng)度的下降速率，以致試驗(yàn)64 d時(shí)拉伸強(qiáng)度甚至比110 ℃時(shí)還低，拉斷伸長率的下降速率也明顯加快了；90 ℃加速條件下機(jī)械應(yīng)力對(duì)拉伸強(qiáng)度的下降有一定的促進(jìn)作用，但對(duì)拉斷伸長率的變化基本無影響；110 ℃加速條件下機(jī)械應(yīng)力對(duì)拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率均沒有明顯的影響。機(jī)械應(yīng)力在較低溫度下可以顯著促進(jìn)丁腈橡膠密封圈熱氧老化，高溫條件下促進(jìn)作用不明顯。

橡膠密封圈；應(yīng)力老化；高溫；機(jī)械應(yīng)力

作為三大合成材料之一，橡膠材料已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域。橡膠材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其優(yōu)良的彈性性能，因此也常被用作密封材料，例如，武器裝備中大量使用的丁腈橡膠密封圈。然而，橡膠材料在使用過程中不可避免地受到外界環(huán)境因素的作用而發(fā)生老化現(xiàn)象，其性能不斷劣化以致最終喪失使用價(jià)值，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)甚至釀成重大的安全事故。因此，對(duì)橡膠密封圈的老化行為進(jìn)行研究，掌握其在特定環(huán)境下的老化行為，對(duì)于裝備使用的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要的意義。

對(duì)橡膠密封材料的老化行為研究由來已久。國內(nèi)外的學(xué)者們對(duì)橡膠材料在不同環(huán)境下的老化行為進(jìn)行了廣泛的研究，如熱氧老化行為[1-2]、濕熱老化行為[3-4]以及在液體環(huán)境中的老化[5-7]等。Li[8]總結(jié)了橡膠老化的相關(guān)研究成果，李昂[9-10]對(duì)橡膠老化的物質(zhì)因素和環(huán)境因素進(jìn)行了歸類總結(jié)。這些成果對(duì)橡膠老化行為的研究具有十分重要的參考價(jià)值。

目前的研究集中在對(duì)常溫下橡膠材料老化行為的觀測，且試樣多處于不受力狀態(tài)，而高溫、承壓狀態(tài)下的老化行為研究較少。然而，密封圈一般依靠自身的彈力與密封部位形成緊密配合，實(shí)際使用中的密封圈一般處于壓縮狀態(tài)。另外，就丁腈橡膠而言，其長期使用溫度可達(dá)100 ℃，在120 ℃下仍可使用較短時(shí)間。為此，文中設(shè)計(jì)了高溫條件下的老化試驗(yàn)，研究了自由狀態(tài)和承壓狀態(tài)下丁腈橡膠密封圈在70，90，110 ℃三個(gè)溫度條件下的老化行為，并通過拉伸性能試驗(yàn)對(duì)拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率進(jìn)行了測試。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)用丁腈橡膠密封件O形密封件的尺寸為17 mm×2.65 mm，即O形圈的內(nèi)徑為17 mm，截面直徑為2.65 mm。丁腈橡膠材料主要成分包含NBR、氧化鋅、硬脂酸、硫磺、瓦斯炭黑及添加劑等，見表1。NBR的混煉在雙輥開煉機(jī)上進(jìn)行，溫度為151 ℃，時(shí)間為40 min，壓力為60 ~120 kg/cm2。

表1 橡膠密封件成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 老化試驗(yàn)

使用電熱鼓風(fēng)干燥箱對(duì)試樣進(jìn)行加熱，干燥箱的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由能在高溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)和特殊風(fēng)道構(gòu)成，工作的溫度范圍為室溫~300 ℃，精度可達(dá)±0.1 ℃。試驗(yàn)時(shí)先將干燥箱預(yù)熱到設(shè)定的試驗(yàn)溫度（70，90，110 ℃），然后關(guān)閉電源，快速放進(jìn)試驗(yàn)樣品后重新開啟電源，并記錄試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)時(shí)間為64 d（下同），各溫度下安排了多個(gè)試樣以便試驗(yàn)期間定時(shí)取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。

為了給部分密封件施加設(shè)定的壓應(yīng)力，采用位移約束的方法，即對(duì)密封件施加一個(gè)預(yù)定的變形量并在試驗(yàn)過程中保持變形量恒定。參照GB/T 5720—2008《O形橡膠密封圈試驗(yàn)方法》中關(guān)于壓縮夾具的方案，并做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。由于該密封件尺寸較小，因此采用兩塊夾板同時(shí)對(duì)夾在其中的四個(gè)密封圈施加應(yīng)力。鋁合金底板上加工有四個(gè)小凸臺(tái)，凸臺(tái)的直徑略小于密封件的內(nèi)徑以保證密封件壓縮后不會(huì)與凸臺(tái)接觸。根據(jù)調(diào)研分析，密封件的壓縮變形量的典型值為15%左右，則凸臺(tái)的高度為2.25 mm。兩塊鋁合金板通過四個(gè)穿過凸臺(tái)的螺栓和螺母對(duì)夾在其中的四個(gè)橡膠密封件施加壓應(yīng)力。這四個(gè)平行試樣可以滿足后續(xù)測試和分析工作的需要，減小試驗(yàn)誤差。同時(shí)，為了避免長期壓縮過程中鋁合金板表面對(duì)橡膠密封件的影響，最終確定上下夾板的內(nèi)表面加工粗糙度為0.8。

1.2.2 拉伸性能試驗(yàn)

橡膠密封件的拉伸性能測試在電子萬能試驗(yàn)機(jī)完成。設(shè)計(jì)了專用的掛鉤，如圖1a所示。掛鉤的直線端安裝在試驗(yàn)機(jī)的夾持端，彎曲端用于對(duì)O形密封圈施加拉伸作用力。在安裝密封件時(shí)，注意緩慢調(diào)節(jié)兩掛鉤之間的距離，以保證密封件剛好與掛鉤穩(wěn)定接觸，且上下兩掛鉤位于同一個(gè)豎直平面內(nèi)，如圖1b所示。安裝完成后，開啟試驗(yàn)機(jī)，按照預(yù)定的加載速率對(duì)密封件進(jìn)行拉伸，圖1c是拉伸中的橡膠密封件。與拉伸試驗(yàn)機(jī)通訊的PC機(jī)記錄拉伸過程中的拉力及密封件的位移等信息。試驗(yàn)的加載速率為500 mm/min。

圖1 橡膠密封件拉伸試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自由狀態(tài)下拉伸性能變化

自由狀態(tài)下拉伸強(qiáng)度如圖2所示。可以看出，各溫度下橡膠密封件的拉伸強(qiáng)度均隨時(shí)間逐漸下降，且溫度越高下降的幅度也越大。70 ℃條件下橡膠密封件的拉伸強(qiáng)度在前8 d由17.22 MPa下降到15.32 MPa，下降了約11%，之后基本不再變化。90 ℃條件下拉伸強(qiáng)度在試驗(yàn)初期有所提高，4 d后開始下降，至64 d試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的拉伸強(qiáng)度為10.35 MPa，較未老化時(shí)下降了約40%，整體呈現(xiàn)較快的下降趨勢。高溫110 ℃條件下拉伸強(qiáng)度在前期迅速降低，試驗(yàn)16 d時(shí)的拉伸強(qiáng)度為2.21 MPa，下降了約87%，然后基本保持不變，64 d時(shí)的拉伸強(qiáng)度為3.31 MPa。

圖2 自由狀態(tài)下拉伸強(qiáng)度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

不同溫度下拉斷伸長率的變化見圖3?？梢钥闯霾煌瑴囟认孪鹉z密封件的拉斷伸長率均隨試驗(yàn)時(shí)間的延長而降低，70 ℃時(shí)下降較慢，試驗(yàn)64 d時(shí)的拉斷伸長率為175%，較未老化時(shí)下降了約44%。90 ℃時(shí)拉斷伸長率的下降速率較快，64 d時(shí)為28%，較未老化時(shí)下降了約91%，整個(gè)試驗(yàn)過程均呈下降趨勢。110 ℃時(shí)則是前期快速下降，然后保持不變。16 d時(shí)的拉斷伸長率較未老化時(shí)下降了99%，16d 后拉斷伸長率基本不變。70 ℃與90 ℃時(shí)拉斷伸長率隨時(shí)間的變化比較平緩，曲線沒有出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但90 ℃時(shí)拉斷伸長率下降的程度要比70 ℃高得多。90 ℃和110 ℃相比，雖然最終下降的程度比較接近，但是曲線變化的過程卻相差較大。

圖3 自由狀態(tài)下拉斷伸長率隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

2.2 受壓狀態(tài)下拉伸性能變化

受壓狀態(tài)下橡膠密封件的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率隨試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系分別如圖4和圖5所示。

可以看出，處于受壓狀態(tài)時(shí)，各溫度下橡膠密封件拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律存在較大差別。70 ℃時(shí)前期拉伸強(qiáng)度下降比較緩慢，16 d時(shí)的拉伸強(qiáng)度為15.82 MPa，為未老化時(shí)的92%，16 d后拉伸強(qiáng)度開始迅速下降，32 d和64 d時(shí)拉伸強(qiáng)度分別為未老化時(shí)的69%（11.90 MPa）和21%（3.64 MPa）。90 ℃時(shí)拉伸強(qiáng)度在4 d時(shí)略有增加，4 d后則開始快速下降，且期間下降速率基本不變，64 d時(shí)的拉伸強(qiáng)度為8.22 MPa，為初始強(qiáng)度的48%。110 ℃時(shí)拉伸強(qiáng)度則在前期出現(xiàn)了急劇的下降，8 d時(shí)的拉伸強(qiáng)度為4.56 MPa，為初始強(qiáng)度的26%。16 d時(shí)拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步下降到3.06 MPa，16 d后開始緩慢的增加，至64 d時(shí)為5.14 MPa，比8 d時(shí)略高。

圖4 受壓狀態(tài)下拉伸強(qiáng)度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

圖5 受壓狀態(tài)下拉斷伸長率隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

圖表明，70 ℃時(shí)拉斷伸長率呈現(xiàn)快速下降的趨勢，且試驗(yàn)過程中的下降速率比較一致，64 d時(shí)的拉斷伸長率為33.97%，為未老化時(shí)的11%。90 ℃時(shí)試驗(yàn)前期下降速率較快，4 d時(shí)的拉斷伸長率為未老化時(shí)的70%，4 d后拉斷伸長率隨時(shí)間下降的速率開始減慢，64 d時(shí)拉斷伸長率為60.91%，為未老化時(shí)的19%。110 ℃時(shí)前期拉斷伸長率快速下降，8 d時(shí)的拉斷伸長率僅為未老化時(shí)的17%，8~16 d時(shí)下降速率出現(xiàn)較大程度的降低，曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，16 d后拉斷伸長率基本保持不變，64 d時(shí)的拉斷伸長率為未老化時(shí)的1%。

2.3 對(duì)比分析

對(duì)相同溫度下自由狀態(tài)和受壓狀態(tài)試樣的老化行為進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械應(yīng)力的存在對(duì)橡膠密封件在熱氧老化過程中的力學(xué)性能有顯著的影響，且這種影響在溫度較低時(shí)比較明顯，高溫時(shí)則不太明顯。具體表現(xiàn)在：70 ℃條件下機(jī)械應(yīng)力大大加快了橡膠密封件拉伸強(qiáng)度的下降速率，以致試驗(yàn)64 d時(shí)拉伸強(qiáng)度甚至比110 ℃時(shí)還低，拉斷伸長率的下降速率也明顯加快了；90 ℃加速條件下機(jī)械應(yīng)力對(duì)拉伸強(qiáng)度的下降有一定的促進(jìn)作用，但對(duì)拉斷伸長率的變化基本無影響；110 ℃加速條件下機(jī)械應(yīng)力對(duì)拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率均沒有明顯的影響。

隨著試驗(yàn)溫度的升高，不同應(yīng)力狀態(tài)下性能的退化曲線之間的差異有逐漸減小的趨勢。說明隨著溫度的升高，橡膠分子熱降解的反應(yīng)程度逐漸增大，熱降解導(dǎo)致主鏈發(fā)生斷鏈反應(yīng)而使橡膠的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率下降。

3 結(jié)論

文中以拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率為參數(shù)，對(duì)處于自由狀態(tài)和受壓狀態(tài)（15%壓縮量）的丁腈橡膠密封圈在70，90，110 ℃三個(gè)溫度下的老化行為進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

1）自由狀態(tài)下，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率均隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長而降低，且下降的程度隨著溫度的升高而加大。在110 ℃條件下，試驗(yàn)16 d內(nèi)密封圈的性能急劇下降，此后基本保持不變；70 ℃和90 ℃條件下在整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)均呈下降趨勢。

2）受壓狀態(tài)下，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率的變化趨勢與相同溫度下自由狀態(tài)試樣的變化趨勢基本一致，但兩者之間的相對(duì)關(guān)系隨著溫度的變化而有所不同。

3）70 ℃下機(jī)械應(yīng)力對(duì)丁腈橡膠密封圈的熱氧老化有顯著的促進(jìn)作用，隨著溫度的升高，機(jī)械應(yīng)力的促進(jìn)作用逐漸減弱。

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Aging Behavior of NBR Seals under High Temperature—Free-state and Pressured-state

TANG Qing-yun, LI Kai1,2,3

(1.CEPREI, Guangzhou 510610, China; 2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology, Guangzhou 510610, China; 3.Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliability and Environment Engineering Technology, Guangzhou 510610, China)

To research high temperature aging behaviors of nitrile rubber sealing ring in free state and pressure bearing state.With the tensile strength and tensile elongation as parameters, aging behaviors at each temperature were characterized and analyzed.At 70 ℃, the mechanical stress sped up the tensile strength declining rate of rubber seal so greatly that the tensile strength tested in the 64th day was lower than that at 110 ℃. The tensile elongation also significantly accelerated the decline rate; at 90 ℃, under the condition of accelerating, the mechanical stress had a certain role in promoting the tensile strength and tensile elongation, but basically had no influence on the variation of tensile elongation; at 110 ℃, under the condition of accelerating, the mechanical stress had no obvious impact on the tensile strength and tensile elongationMechanical stress at low temperature can significantly promote the hot oxygen aging of nitrile rubber sealing ring. Its promoting effect is not obvious at high temperature.

rubber seal; stress aging; high temperature; mechanical stress

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.018

TJ07

A

1672-9242(2017)12-0093-04

2017-08-14；

2017-09-14

唐慶云（1988—），男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榭煽啃耘c環(huán)境工程。