橡膠密封材料老化分析

焦亮 孫思杰 郭文芳 王海峰

摘要：本文將圍繞，橡膠密封材料老化進(jìn)行分析討論，以此提高材料的應(yīng)用效率，避免材料過度老化導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，從而為相關(guān)企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。幫助使用人員更準(zhǔn)確的把握材料的力學(xué)性能與老化機(jī)理。

關(guān)鍵詞：老化表征;使用壽命;橡膠密封材料

引言：通常來說，橡膠密封材料會(huì)長時(shí)間暴露在空氣、水以及熱環(huán)境當(dāng)中，難以避免的會(huì)造成材料性能上的損耗，并逐漸發(fā)生老化現(xiàn)象，最終使材料的密封性能失去效果，為了延長橡膠密封材料的使用壽命，充分發(fā)揮橡膠密封材料的實(shí)際作用，首先要對(duì)老化機(jī)理及行為進(jìn)行深入了解。

一、老化機(jī)理與行為

根據(jù)實(shí)際調(diào)查可知，熱環(huán)境是導(dǎo)致橡膠密封材料老化的最主要因素。橡膠發(fā)生熱氧化的本質(zhì)屬于分子鏈的斷裂，屬于催化氧化機(jī)理，并且不同類型的橡膠所發(fā)生的老化反應(yīng)也具有一定程度的差異性，比如NBR，其內(nèi)部丁二烯包含不飽和雙鍵，在發(fā)生老化時(shí)，主要以氧化交聯(lián)為主。通過將其放在溫度不同的環(huán)境中進(jìn)行測試可知，造成NBR性能衰減的最主要原因?yàn)榻宦?lián)反應(yīng)。當(dāng)進(jìn)入到老化后期時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生突變，斷鏈逐漸占優(yōu)，二者的競爭反應(yīng)最終導(dǎo)致橡膠失去彈性，并在熱空氣環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力回升的情況。除此之外，橡膠本身的熱穩(wěn)定性還會(huì)受到添加劑、分子鏈結(jié)構(gòu)等影響。比如向橡膠中加入抗氧劑能夠明顯提升材料的穩(wěn)定性，并獲得良好的保護(hù)效果，能夠使材料在發(fā)生老化時(shí)保持一定的拉伸強(qiáng)度[1]。

二、應(yīng)力、介質(zhì)對(duì)老化的影響

橡膠密封材料通常在使用過程中會(huì)與潤滑油、水等介質(zhì)發(fā)生接觸，并時(shí)刻處于受力狀態(tài)，因此為了更準(zhǔn)確的把握材料的老化過程，還需要考慮到應(yīng)力與介質(zhì)對(duì)其產(chǎn)生的影響，當(dāng)材料本身受到應(yīng)力作用時(shí)，橡膠分子會(huì)發(fā)生取向，并且反應(yīng)活化能力逐漸減少，由此證明應(yīng)力對(duì)橡膠材料的熱氧老化反應(yīng)具有一定的催化作用，但應(yīng)力本身卻并未改變橡膠密封材料的老化機(jī)理，老化過程仍然以分子鏈交聯(lián)作為主導(dǎo)反應(yīng)。介質(zhì)對(duì)老化的影響分析可通過將橡膠密封材料放置在介質(zhì)當(dāng)中，并給予一定的熱與空氣環(huán)境因素，之后與無介質(zhì)浸泡進(jìn)行分析比對(duì)。首先需要了解介質(zhì)的影響方面，以油介質(zhì)為例，在溶脹作用下，油會(huì)造成橡膠強(qiáng)度體積與質(zhì)量上的變化，橡膠中的添加劑會(huì)進(jìn)一步被油介質(zhì)分離出來，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性的下降。并且油介質(zhì)包含許多積壓添加劑能夠?qū)ο鹉z性能造成性能上的變化。其次要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過將橡膠密封材料浸泡在液壓油當(dāng)中觀察老化行為的變化狀況，可發(fā)現(xiàn)橡膠的氧化層明顯加厚，裂紋與無介質(zhì)浸泡時(shí)相比明顯增多。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)在油脂中浸泡的橡膠老化程度相較于無浸泡材料老化相對(duì)偏低。最后還要進(jìn)行材料在不同介質(zhì)下的老化性能檢測，比如強(qiáng)酸強(qiáng)堿、潤滑油等，最終可得出以下結(jié)論：潤滑油雖然在一定程度上能夠降低橡膠材料的摩擦系數(shù)，但也會(huì)使其質(zhì)地變得更加柔軟，磨損量進(jìn)一步提高，使材料的耐磨性逐漸下降。而強(qiáng)酸介質(zhì)會(huì)對(duì)橡膠造成強(qiáng)烈的腐蝕作用，比油介質(zhì)造成的破壞更高[2]。

三、使用壽命評(píng)估方法

當(dāng)材料出現(xiàn)老化時(shí)化學(xué)應(yīng)力會(huì)變得更加松弛，在出現(xiàn)自動(dòng)收縮的同時(shí)，也會(huì)造成接觸應(yīng)力的降低，以此導(dǎo)致橡膠密封材料密封性能的逐漸喪失，通常來講，需要將壓縮變形量以及斷裂伸長率作為材料的使用壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將性能下降至40%與80%作為臨界指標(biāo)。經(jīng)過對(duì)橡膠密封材料的性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，不同評(píng)價(jià)指標(biāo)所取得的使用壽命數(shù)值具有一定的差異性，因此為了確保材料的壽命評(píng)估準(zhǔn)確、科學(xué)，需要采用加速熱氧老化實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)過程中需要注意合理把控老化溫度，避免機(jī)理上的改變，并從材料的老化速率、溫度依賴性、熱氧化降解等多個(gè)層面進(jìn)行判斷。本文將以當(dāng)前使用頻率最高的ARR方法以及DAKIN方法進(jìn)行分析討論，其中ARR方法的原理在于在高溫度下材料加速老化所發(fā)生的性能參數(shù)進(jìn)行測定，并使用ARR公式完成使用壽命的預(yù)測。該加速老化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果基本與自然老化的信息保持一致。但存在化學(xué)反應(yīng)競爭過于激烈的缺陷，同時(shí)擴(kuò)散控制以及氧化反應(yīng)經(jīng)常會(huì)使材料的活化性能過度產(chǎn)生溫度依賴性，因此該方法只適用于大多數(shù)條件下。DAKIN方法則是要求每次進(jìn)行加速老化時(shí)，都要保證溫度達(dá)到臨界值，通過將橡膠放置于不同溫度的不同介質(zhì)當(dāng)中進(jìn)行試驗(yàn)可知，其壽命預(yù)測結(jié)果同樣與自然老化信息基本一致，能夠準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)材料老化性能的具體變化趨勢。但該方法也存在試驗(yàn)周期過長，容易受介質(zhì)膨脹的影響，導(dǎo)致壽命預(yù)測與自然老化的實(shí)際數(shù)值存在一定的偏差，由此可知，完成橡膠密封材料的使用壽命評(píng)估與預(yù)測，仍然是當(dāng)前材料老化研究的重要課題。

四、老化表征方法

在發(fā)生橡膠密封材料老化時(shí)會(huì)伴隨一系列的物理變化與化學(xué)變化，因此材料結(jié)構(gòu)上的表征方法都可用作橡膠老化的標(biāo)準(zhǔn)，且每種方法所呈現(xiàn)的信息都需要經(jīng)過全面的分析，才能保證老化表征的完整性。當(dāng)前最常用的表征方法可分為：力學(xué)性能測試，該方法的測試內(nèi)容主要包括拉斷伸長率、永久變形以及拉伸強(qiáng)度，但需要注意的是標(biāo)準(zhǔn)試樣的力學(xué)性能難以準(zhǔn)確呈現(xiàn)材料的真實(shí)老化狀態(tài)，并且密封材料的不同部位老化狀態(tài)在差異性溫度與應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此需要實(shí)驗(yàn)人員將老化的不均勻性考慮到位;表面形貌觀測法，該方法大多需要借助電子顯微鏡來完成材料性能的觀察以及結(jié)構(gòu)上的探究，比如AFM顯微鏡既能夠完成材料形貌上的準(zhǔn)確觀察，還能借助相位模式完成模量變化以及空間分布的掌握;化學(xué)結(jié)構(gòu)分析法，該方法的優(yōu)勢在于測定簡單，觀測方便，但容易受材料的不溶特性影響，即使采用ATR紅外光譜完成橡膠表面的測定，但仍會(huì)受橡膠本身老化程度的不統(tǒng)一性，導(dǎo)致表征判斷不夠準(zhǔn)確，因此需要使用紅外顯微鏡進(jìn)行有效配合，確?；瘜W(xué)組成的空間分布得到準(zhǔn)確掌握。

結(jié)論：綜上所述，通過對(duì)橡膠密封材料老化機(jī)理與行為、應(yīng)力介質(zhì)對(duì)老化的影響、使用壽命評(píng)估方法以及表化特征方法進(jìn)行分析討論，以此確保橡膠密封材料的高效運(yùn)用，幫助使用人員更準(zhǔn)確的預(yù)測材料的實(shí)際壽命，在提升橡膠密封材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、性能穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增長。

參考文獻(xiàn)：

[1]董峰，沈明學(xué)，彭旭東.乏油環(huán)境下橡膠密封材料在粗糙表面上的摩擦磨損行為研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2019，36（06）：687-694.

[2]蔡錦安，劉志健，袁嘉偉.固相微萃取/氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定橡膠密封材料中N-亞硝胺[J].分析測試學(xué)報(bào)，2019，35（02）：245-248.