橡膠材料耐低溫性能測試方法對比

高世陽 王紅梅

橡膠材料耐低溫性能測試方法對比

高世陽1王紅梅2

（1海裝北京局駐天津地區(qū)第三軍事代表室，天津，300300）（2天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

本文主要介紹了橡膠材料在實際應用時常見的脆性溫度、恢復率（TR）試驗和吉門試驗等三類耐低溫性能的五個測試標準，概括介紹相關(guān)標準的測試原理、試樣尺寸及數(shù)量、測試過程、結(jié)果計算等，為廣大工程技術(shù)人員提供參考。

橡膠材料；耐低溫；測試標準

ASTM D1566中關(guān)于橡膠的定義如下：橡膠是一種材料，它在大的變形下能迅速而有力地恢復其變形。橡膠材料的獨具（唯一）特征是：常溫下具有高彈性。因此橡膠也稱為彈性體，橡膠高彈性的具體表現(xiàn)為：①彈性形變大，可達1000%；②彈性模量特別低，在MPa數(shù)量級別；③變形去掉外力后，迅速恢復，永久變形小。橡膠材料的形變量隨溫度變化的曲線如圖1所示。

圖1 橡膠材料的形變量隨溫度變化的關(guān)系圖

其中A區(qū)域為玻璃態(tài)、C區(qū)域為高彈態(tài)、E區(qū)域為粘流態(tài)、B和D區(qū)域為過渡態(tài)，g為玻璃化溫度、T為脆性溫度、f為粘流溫度。橡膠材料在實際應用過程中只有在高彈態(tài)下才具有真正的使用價值，因此廣大工程技術(shù)人員總是希望橡膠材料能在更寬溫度范圍內(nèi)具有高彈性。但實際上橡膠材料隨著其工作環(huán)境溫度的降低逐漸喪失彈性從而失去使用價值[1]。因此正確進行橡膠材料耐低溫性能測試，顯得尤為重要。目前國內(nèi)關(guān)于橡膠材料耐低溫性能測量的標準可分為以下三類：脆性溫度、恢復率（拉伸回縮和壓縮恢復）、剛性變化。本文對橡膠材料耐低溫性能常見測試標準進行總結(jié)對比，概括介紹相關(guān)標準的測試原理、試樣尺寸及數(shù)量、測試過程、結(jié)果計算等，供廣大工程技術(shù)人員尤其是剛?cè)腴T技術(shù)人員參考。

1 脆性溫度

脆性溫度是指橡膠材料在外來沖擊力下出現(xiàn)破壞時的最高溫度/不出現(xiàn)破壞時的最低溫度[2～3]，測定分為單試樣法和多試樣法，對應的測試標準為GB/T 1682-2014 《硫化橡膠低溫脆性的測定單試樣法》和GB/T 15256-2014 《硫化橡膠或熱塑性橡膠低溫脆性的測定（多試樣法）》。

1.1 脆性溫度（單試樣法）

測試原理：將試樣裝入升降夾持器中，在冷凍介質(zhì)中冷凍至規(guī)定時間，升起升降夾持器，在規(guī)定時間內(nèi)用沖擊器沖擊試樣，取下試樣，觀察有無破壞。

試樣尺寸：長度為25.0mm±0.5mm、寬度為6.0mm±0.5mm、厚度為2.0mm±0.2mm。

試樣數(shù)量：每個測試溫度點下單個試樣，每個試樣只允許沖擊一次。

結(jié)果記錄：試樣出現(xiàn)破壞的最高溫度，即為該試樣的脆性溫度，單位為℃。

1.2 脆性溫度（多試樣法）

測試原理：將試樣固定在夾持器中，在冷卻介質(zhì)中冷卻至規(guī)定時間，用沖擊器對試樣進行一次沖擊，取下試樣，觀察破壞情況。

試樣尺寸（常用）：厚度為2.0mm±0.2mm，形狀尺寸如圖2所示。

圖2 （多試樣法）脆性溫度的測試試樣尺寸

試樣數(shù)量：每個測試溫度點下一組試樣，一組5個，每組試樣只允許沖擊一次。

測試過程：將試樣裝入夾持器中，在冷卻介質(zhì)（液體）中冷卻5min（如果冷卻介質(zhì)為氣體，則冷卻10min），用沖擊器對試樣進行一次沖擊。取下試樣，觀察有無破壞（試樣出現(xiàn)任何一個肉眼可見的裂縫或小孔，或完全斷成兩片甚至更多碎片定義為破壞；試樣沒有完全斷裂時，將試樣沿沖擊彎曲方向彎曲90°，檢查彎曲處的試樣破壞情況）。以2℃的間隔升溫或降溫，直至測出一組試樣完全無破壞的最低溫度。

結(jié)果記錄：試樣完全無破壞的最低溫度，即為該材料的脆性溫度，單位為℃。

1.3 50%脆性溫度（多試樣法）

測試原理、試樣尺寸、試樣數(shù)量、測試過程均與1.2部分相同。

結(jié)果記錄：首先記錄試樣完全無破壞的最低溫度和所有試樣都破壞的最高溫度，并記錄在每個溫度下破壞的試樣數(shù)量。使用公式1來確定50%脆性溫度。

式中：

b—— 50%脆性溫度，℃；

h—— 所有試樣都破壞的最高溫度，℃；

△—— 測試溫度之間的間隔溫度，℃；

S —— 從沒有試樣破壞到試樣全部破壞的溫度范圍內(nèi)，每個溫度下試樣破壞的百分比之和，%。

2 恢復率測試

測試橡膠材料在低溫下的變形恢復方法包括拉伸回縮和低溫壓縮永久變形，對應的測試標準為GB/T 7758-2020 《硫化橡膠低溫性能的測定溫度回縮程序（TR試驗）》和GB/T 7759.2-2014 《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測定第2部分：在低溫條件下》。

2.1 拉伸回縮（TR試驗）

測試原理：將試樣在標準實驗室溫度下拉伸，然后冷卻到在除去拉伸力時不出現(xiàn)回縮的足夠低的溫度。除去拉伸力，并以均勻的速率升高溫度。測出達到規(guī)定回縮率時的溫度[4]。

試樣尺寸：GB/T 7758-2020中規(guī)定的試樣形狀和尺寸應如圖3所示。試樣初始長度0應為100mm±0.2mm或50mm±0.2mm，其中100mm±0.2mm的試樣適用于低伸長率材料的試驗，50mm±0.2mm的試樣適用于高伸長率材料的試驗。

圖3 TR試驗的標準試樣形狀及尺寸

試樣數(shù)量：不少于3個。

測試過程：將試樣夾持在試樣架上，從初始長度拉伸到50%（大多數(shù)情況）并鎖定；然后將帶有試樣的試樣架迅速放入-70℃～-73℃（如果試樣在-70℃下回縮這些更換其他冷卻介質(zhì)冷卻至更低溫度）的冷卻槽中保持10min±2min。松開上夾具的鎖定裝置，讓試樣自由回縮，同時以1℃/min的速率使冷卻介質(zhì)升溫（允差為任一個10min時間間隔內(nèi)，溫升為10℃±2℃）。松開試樣時讀取第一個讀數(shù)，以最大間隔2min讀取一次溫度值和對應的回縮長度或回縮率，直到回縮率達到71%為止。

結(jié)果計算：回縮率通過公式（2）計算：

式中：

—— 回縮率；

s—— 鎖定狀態(tài)下的拉伸長度，mm；

r—— 相關(guān)溫度下的回縮長度，mm；

0—— 初始長度，mm。

讀出對應10%、30%、50%和70%回縮率的溫度，這些溫度分別稱為TR10、TR30、TR50和TR70，取三個試樣的中值。

2.2 低溫壓縮永久變形

測試原理：在標準實驗室溫度下，將已知高度的試樣壓縮至規(guī)定的高度。在規(guī)定的低溫條件下保持一定時間，然后在相同低溫下釋放壓縮，將試樣在自由狀態(tài)下恢復，測量試樣的高度：可以每隔規(guī)定時間測量一次（通過對壓縮高度與時間作圖，可評價在低溫條件下試樣壓縮永久變形特性），也可以在規(guī)定的時間后進行測量[5]。

試樣尺寸：GB/T 7759.2-2014中規(guī)定的試樣規(guī)格為：直徑29mm±0.5mm、高度12.5mm±0.5mm的圓柱體。

試樣數(shù)量：3個。

結(jié)果計算。壓縮永久變形（%）通過公式（3）計算：

式中：

0—— 試樣原始高度，mm；

1—— 試樣恢復后的高度，mm；

s—— 限制器高度，mm。

3 低溫剛性變化（吉門試驗）

測定橡膠材料在靜態(tài)過程中從室溫至-150℃的溫度范圍內(nèi)的相對剛性特征的方法，又稱吉門試驗，對應的測試標準為GB/T 6036-2020《硫化橡膠或熱塑性橡膠低溫剛性的測定（吉門試驗）》。

測試原理：從低溫開始，測量與溫度呈函數(shù)關(guān)系的扭轉(zhuǎn)剛度。剛性的測量方法是將試樣與已校準的彈簧鋼絲連接，將鋼絲頂部扭轉(zhuǎn)180°時，測量試樣扭轉(zhuǎn)的角度[6]。

試樣尺寸：長度為40.0mm±2.5mm、寬度為3.0mm±0.2mm、厚度為2.0mm±0.2mm。

試樣數(shù)量：不少于3個試樣。

測試過程：將試樣夾持在夾持器上，首先記錄試樣在23℃介質(zhì)中下扭轉(zhuǎn)180°后自由恢復10s時的扭轉(zhuǎn)角（120°～170°為宜）。再將試樣扭轉(zhuǎn)180°后，將帶有試樣的試樣架，迅速放入規(guī)定最低試驗溫度的冷卻介質(zhì)中保持15min。然后進行5℃/5min的間隔逐級升溫或以1℃/min的升溫速率連續(xù)升溫。逐級升溫時，試樣在每一溫度下調(diào)節(jié)5min后進行測試量；連續(xù)升溫時每1min測量一次。繼續(xù)升溫至此溫度下試樣的扭轉(zhuǎn)角比在23℃時的扭轉(zhuǎn)角小5°～10°為止。

結(jié)果計算：表觀剛性扭轉(zhuǎn)模量（Pa），通過公式（4）計算：

163……………………（3）

式中：

—— 鋼絲的扭轉(zhuǎn)常數(shù)，N·m；優(yōu)先選用2.8×10-3N·m；

—— 試樣的自由長度，m；

—— 試樣寬度，m；

—— 試樣厚度，m；

—— 以/為基礎的系數(shù)（為3.0、為2.0時，為3.13）；

—— 試樣的扭轉(zhuǎn)角，°。

4 總結(jié)

由于測試結(jié)果取決于特定的試驗條件，因此測試結(jié)果僅表示該橡膠材料大致的耐低溫性能，并不能準確獲得該材料的耐低溫特性絕對值結(jié)果。但不同的測試方法表征橡膠材料不同的耐低溫性能，各種方法又可以互為補充。具體使用哪種測試方法，取決于橡膠材料的實際使用場合。例如僅關(guān)注橡膠材料在低溫狀態(tài)下的剩余彈性，可以使用脆性溫度測試方法；如需關(guān)注橡膠密封材料在低溫狀態(tài)下的變形恢復能力，可以使用壓縮變形或TR測試方法。

[1] 武晶,曹元禮,王夢媛等.丁腈橡膠低溫性能關(guān)聯(lián)性的研究[J]. 特種橡膠制品,2021,42(1):48-51

[2] GB/T 1682-2014 《硫化橡膠低溫脆性的測定單試樣法》[S]

[3]GB/T 15256-2014 《硫化橡膠或熱塑性橡膠低溫脆性的測定（多試樣法）》[S]

[4] GB/T 7758-2020 《硫化橡膠低溫性能的測定溫度回縮程序（TR試驗）》[S]

[5]GB/T 7759.2-2014 《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測定第2部分：在低溫條件下》[S]

[6] GB/T 6036-2020 《硫化橡膠或熱塑性橡膠低溫剛性的測定（吉門試驗）》[S]

高世陽，男，1979.04.23出生，工程師，碩士，主要從事海上救助與救生、水下勘探及打撈等產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)。