應(yīng)用故事 | DMA評估橡膠密封材料性能

橡膠密封件是密封技術(shù)中廣泛應(yīng)用的一類制品，因?yàn)橄鹉z材料具有優(yōu)異的粘彈性，較寬的工作溫度范圍，在較小的應(yīng)力下就可以產(chǎn)生變形、補(bǔ)償間隙，從而實(shí)現(xiàn)良好的密封效果。

常見的橡膠密封材料有丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、三元乙丙橡膠等，每種材料的性能都各有優(yōu)缺點(diǎn)，如丁腈橡膠耐油，但不耐酮、酯等介質(zhì)，硅橡膠耐溫性能好，但不耐油。在選材和設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要根據(jù)密封材料的應(yīng)用場景，綜合考慮溫度、機(jī)械載荷（如靜態(tài)密封或動(dòng)態(tài)密封、是否有摩擦）、環(huán)境介質(zhì)（如有機(jī)溶劑、臭氧等）等多方面的因素。而且，很多情況下需要根據(jù)不同的性能要求，對材料進(jìn)行改性，因此每種橡膠可能有多種不同配方。

利用DMA可以分析橡膠材料的配方，對比或評估不同密封材料在一定載荷狀態(tài)下的性能，包括粘彈性能、疲勞性能、松弛性能、壓縮變形等，這對開發(fā)或選擇合適的材料有重要的參考意義。本文將以具體測試為例，介紹DMA在橡膠密封材料的應(yīng)用。

通過動(dòng)態(tài)載荷下的溫度掃描測試，可以得到橡膠材料的特征轉(zhuǎn)變溫度，其中玻璃化轉(zhuǎn)變是最主要的轉(zhuǎn)變，在玻璃化溫度以下，橡膠處于玻璃態(tài)，彈性差，密封效果不好，所以玻璃化溫度是橡膠材料應(yīng)用的下限溫度。除了玻璃化轉(zhuǎn)變，其他轉(zhuǎn)變可反應(yīng)橡膠中不同添加組分的變化情況。下圖是3個(gè)不同配方樣品的溫度掃描結(jié)果，測試采用拉伸模式，樣品尺寸為2mm x 6mm x 16mm，靜態(tài)應(yīng)變1.0%，動(dòng)態(tài)應(yīng)變0.2%，頻率10Hz。

可以看出3#和4#的tand曲線主峰（對應(yīng)玻璃化轉(zhuǎn)變）峰值溫度基本一致（約-14℃），5#的tand峰值溫度略低（約-16℃），玻璃化溫度以下3#樣品模量最高，5#zui低；3個(gè)樣品在玻璃化轉(zhuǎn)變前后各有一個(gè)轉(zhuǎn)變，可能對應(yīng)不同填料/添加劑，4#和5#玻璃化轉(zhuǎn)變前的小峰溫度相同，3#略低；玻璃化轉(zhuǎn)變后的小峰3個(gè)樣品溫度各不相同，4#居中，3#最高。所以推測3#和4#基體一樣，4#、5#其中一種添加劑相同（對應(yīng)Tg前的轉(zhuǎn)變），Tg后的轉(zhuǎn)變可能由另外一種成分導(dǎo)致，3個(gè)樣品添加的成分可能不同。

為了達(dá)到密封效果，橡膠材料在工況下通常處于受壓狀態(tài)，填充在機(jī)械部件接合的部位。在機(jī)械部件間隙一定的情況下，在時(shí)間和溫度的作用下，分子鏈在一定程度上重新排列或發(fā)生斷裂，導(dǎo)致維持同一形變量所需要的力（F）逐漸減小，與初始值F0相比，F(xiàn)值越小，泄漏的可能性越大。下圖對比了室溫、拉伸模式25%靜態(tài)應(yīng)變下3個(gè)樣品的應(yīng)力衰減過程，樣品尺寸為2mm x 6mm x 6mm。

為了方便對比F/F0值的變化，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以F/F0為縱坐標(biāo)作圖如下，恒溫1小時(shí)后3個(gè)樣品的F/F0值由大到小分別為3#（0.603）、5#（0.585）和4#（0.553），說明4#樣品在此條件下發(fā)生泄漏的可能性最大。

對于靜態(tài)密封，橡膠材料在工況下會(huì)承受一定的靜態(tài)載荷，材料在載荷的作用下發(fā)生蠕變，隨著時(shí)間延長，形變量逐漸增大并趨于穩(wěn)定。撤銷載荷后尺寸逐漸恢復(fù)，恢復(fù)的速度和程度與測試條件（包括載荷大小、溫度、作用時(shí)間等）及材料的彈性相關(guān)，尺寸不能恢復(fù)的部分為壓縮變形。下圖為對比了3個(gè)樣品室溫下的壓縮變形結(jié)果，樣品尺寸Φ13mm x 6.5mm，蠕變過程的靜態(tài)載荷為2.3MPa，載荷維持30min后卸載，記錄尺寸恢復(fù)情況，直至尺寸基本不變化。

3個(gè)樣品在2.3MPa應(yīng)力的作用下，形變量都在25%左右，卸載后的形變量由小到大分別為3#（3.16%）、5#（3.65%）和4#（4.32%），4#樣品形變量最大，說明這個(gè)配方彈性較差，恢復(fù)性能不佳。

為了保證動(dòng)態(tài)載荷下的密封效果，振動(dòng)時(shí)密封件和機(jī)械部件之間不應(yīng)出現(xiàn)間隙，這就要求密封材料彈性好、內(nèi)耗小，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力：加載時(shí)發(fā)生形變儲(chǔ)存能量，卸載時(shí)及時(shí)恢復(fù)形變釋放能量。如果材料的阻尼高，內(nèi)耗大，響應(yīng)速度慢，形變不能及時(shí)恢復(fù)，就容易導(dǎo)致泄漏。材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能與溫度、頻率、形變量相關(guān)，需要結(jié)合工況進(jìn)行評估。下圖對比了2種配方的材料在不同應(yīng)變下的彈性和內(nèi)耗，測試采用壓縮模式，樣品尺寸Φ10mm x2mm，頻率10Hz，靜態(tài)應(yīng)變25%，動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描范圍0.01%-1.4%。

動(dòng)態(tài)應(yīng)變小于0.1%時(shí)，2個(gè)樣品的損耗因子非常接近，5#的模量略高，應(yīng)變大于0.1%時(shí)，隨著應(yīng)變增大，模量都呈下降趨勢，5#樣品下降趨勢更快，2個(gè)樣品模量值的差異減小，損耗因子都呈增大趨勢，且5#樣品的增大趨勢明顯快于3#。說明在小應(yīng)變下2個(gè)樣品的響應(yīng)性能基本接近，密封性能差別不大，應(yīng)變增大時(shí)3#樣品的響應(yīng)性能優(yōu)于5#，更不容易泄漏。

綜上，利用DMA可以分析橡膠材料的配方，結(jié)合工況條件評估密封材料的松弛、壓縮變形、疲勞及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能等，有助于開發(fā)或選擇合適的密封材料。

作者

王榮

耐馳儀器公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室