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ca888亚洲城唯一官网-密炼机:如何设计橡胶制品的疲劳破坏

发布时间:2018-12-06 19:36:00 点击:    关键词:密炼机,捏炼机,开炼机,橡胶机械

泰州科德橡胶机械-密炼机2018年12月6日讯  当橡胶受到反复交变应力(或应变)作用时,材料的结构或性能发生变化的现象叫疲劳。随着疲劳过程的进行,导致材料破坏的现象称为疲劳破坏。

疲劳破坏的机理可能包括热降解、氧化、臭氧侵蚀以及通过裂纹扩展等方式破坏。疲劳破坏实际是一种力学和力化学的综合过程。橡胶在反复形变下,材料中产生的应力松弛在形变周期内来不及完成,结果内部产生的应力不能均匀分散,可能集中在某缺陷处,从而引起断裂破坏。此外,由于橡胶是一种粘弹性高聚物,它的形变包括可逆形变和不可逆形变,在周期形变中不可逆形变产生滞后损失,这部分能量转化为热能,是材料内部温度升高,材料的强度随温度上升而下降,从而导致橡胶的疲劳寿命缩短。总之,橡胶的疲劳破坏不单是力学疲劳破坏,往往也伴随着热疲劳破坏。

在低应变条件下,Tg越低,耐疲劳破坏性越好,如BR和NR;在高应变条件下,具有拉伸结晶的橡胶耐疲劳破坏性较高,如CR和NR。这是因为在低应变条件下,橡胶的应力松弛机能占主导地位,而在高应变区域,具有拉伸结晶的橡胶内部结晶,阻碍了微破坏扩展的因素占主导地位。

常温下以形成多硫键的硫化胶的耐疲劳破坏寿命最长。在负荷一定的疲劳条件下,随交联密度的增加,硫化胶的耐疲劳性有一个最佳值。所以对于二烯类橡胶,在选用耐疲劳寿命长的配方时,硫化体系一般可用MBT、MBTS作主促进剂,DPG作辅助促进剂,硫黄用量适当。

补强性好的炭黑结构性较高,耐疲劳破坏较差。对橡胶稀释作用小的软化剂能增强橡胶分子的松弛特性,从而提高耐疲劳性。

以不饱和橡胶为主体的硫化胶,在空气中的耐疲劳破坏性比在真空中低,这说明氧化作用能加速疲劳破坏。为了提高耐疲劳性,应选用芳基、烷基和二烷基对苯二胺类防老剂等耐疲劳防老剂。

 

滞后损失

橡胶试片在往复循环作用力下变形时,即使往复速度相等,但应力-应变曲线并不重合(如图1)。图中OA为拉伸曲线,AC为回缩曲线。OAB所涵盖的面积代表试片伸长时外力对它所做的机械功;而CAB所涵盖的面积则代表试片回缩时所做的功。以上两个面积之差(OAB-CAB即斜线阴影部分)表示试片在一个往复周期中所损失并转化为热量的机械功,这种现象被称为“滞后损失”。

滞后损失若发生在轮胎,或在往复作用力下使用的其他橡胶制品上时,也同样会出现升温发热。由此可见,橡胶在周期性的动态受力条件下都会导致生热,并影响产品的使用寿命(使用温度越高,使用寿命越短)。

当橡胶受到上述往复外力作用时,为了达到变形,势必受到分子间的粘阻力所阻挡,并导致应变滞后于应力。为获得优良的动态性能,应最大限度地缩小滞后损失。但是,这种生热程度除了取决于周期力的频率外,还受到配方的影响。也就是说,在同样的动态条件下,由于配合设计上的差异,所产生的滞后损失也不相等。添加有助于降低分子内摩擦或增加分子间润滑能力的配合剂(如软化剂、增塑剂)都有助于减少滞后损失。

以上叙述侧重于从负面角度来衡量“滞后损失”。滞后损失对部分橡胶制品的使用的确带来不利。但是,在某些产品中“滞后损失”恰恰是刻意谋求的关键性能。例如,橡胶的阻尼特性就和滞后损失密切相关,一个胶种的滞后损失越大,则阻尼性也越好,对机械能或声能的阻隔效果也越好。因此,供防震、隔音、消音等用途的橡胶制品在胶种上往往首选滞后损失最大的丁基橡胶。


 

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炭黑补强NR 硫化胶疲劳破坏特性的研究

动态疲劳破坏历程

断裂力学认为,所谓疲劳破坏指的是疲劳过程中材料内部潜在的某些缺陷由于应力集中逐渐形成裂纹,并不断扩展直至断裂的现象。有关橡胶材料的疲劳破坏主要存在两种观点,即唯象理论和分子运动论。

唯象理论认为,橡胶材料的破坏主要是由于外力作用下橡胶内部的缺陷或微裂纹引发的裂纹不断传播和扩展导致的;裂纹的传播方式和扩展速度受橡胶材料本身的粘弹性控制,因而表现出很强的时间/温度依赖性。

分子运动论则认为,橡胶材料的疲劳破坏归因于材料分子链上化学键的断裂,即试样在周期性应力/应变作用下,应力不断地集中于化学键能比较弱的部位而产生微裂纹,继而发展成为裂纹并随着时间的推移而逐步扩展,直至材料发生宏观破坏。裂纹发展是分子网链连续断裂的粘弹性非平衡过程,该过程包括随时间延长分子网链连续不可逆断裂以及裂纹尖端处和其附近与分子运动有关的塑性变形。分子网链的断裂能以热的形式散发掉,这一微观过程的宏观表现是动态疲劳过程中裂纹穿过试样不断扩展,直至试样断裂。

尽管这两种基本观点的出发角度不同,但却存在一个共同点,即疲劳破坏都源于外加因素作用下,橡胶材料内部的微观缺陷或薄弱处的逐渐破坏。疲劳裂纹增长是机械作用和化学反应累积到一定程度产生的,即疲劳过程中各种物理和化学因素共同作用导致分子网链断裂以及加速材料的疲劳老化过程。

动态疲劳过程大致分3个阶段:

第1阶段,应力发生急剧变化,出现应力软化现象;

第2阶段,应力变化缓慢,材料表面或内部产生损伤(破坏核);

第3阶段,损伤引发裂纹并连续扩展,直至断裂破坏,这是材料疲劳破坏的关键阶段。

 

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拉断形变能密度反映硫化胶的抗拉断性能,拉断形变能密度大,硫化胶的抗拉断性能好。硫化胶的拉断形变能密度的测试方法是:先将试样进行一定时间的拉伸疲劳试验,再将试样在电子拉力机上拉伸至断裂并测得应力-应变曲线,对曲线下的面积积分即得试样的拉断形变能密度。

3种炭黑补强硫化胶拉断形变能密度与疲劳时间的关系如图1所示(拉伸比λ为1.5)。

疲劳寿命曲线也称S-N曲线,S代表拉伸比、应力或应变,N为疲劳寿命。3种炭黑补强硫化胶的S-N曲线如图2所示。

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影响NR疲劳寿命的因素

硫化体系的影响  含硫黄硫化体系是NR的主要硫化体系之一,也是应用最为广泛的硫化体系。NR发生交联反应后的疲劳寿命、结晶能力、表面摩擦系数和力学松弛等物理力学性能与其交联类型有很大关系,硫黄和促进剂的用量则决定了硫化胶的交联密度和交联类型。一般来说,在普通硫化体系、半有效硫化体系、有效硫化体系三者中,多硫键占大多数的普通硫化体系抗疲劳性能最好,单硫键占大多数的有效硫化体系抗疲劳性能最差,但具体分析起来往往比较复杂。就完好的样品而言,含普通硫化体系的硫化橡胶的疲劳寿命比含有效和半有效硫化体系的长,而有效硫化体系的疲劳寿命最短。对于有预制裂纹的样品来说,含普通硫化体系的硫化橡胶的疲劳寿命要短于有效和半有效硫化体系硫化胶。

补强体系的影响  炭黑是NR最重要的补强性填料,不同炭黑补强的NR胶料的疲劳断裂性能表现出不同的破坏形态,用高耐磨炭黑(HAF)补强的胶料潜在缺陷比较大,但其裂纹的增长速度较慢;超耐磨炭黑(SAF)补强的胶料潜在缺陷较小,但其裂纹的增长速度较快;中超耐磨炭黑(ISAF)补强的胶料潜在缺陷和裂纹增长速度均居中。另一方面,炭黑粒径越细,结构越高,硫化胶动态生热越大;反之,粒径越粗,结构度越低,硫化胶动态生热越小;而生热量的大小对NR的老化影响很大。

在硅烷偶联剂Si69存在的情况下,含白炭黑填充的NR的橡胶与填充剂之间的相互作用得到改善,且力学性能如拉伸强度、撕裂强度、疲劳寿命和硬度都得到了提高。这是因为白炭黑是一种补强填料,颗粒尺寸较小。颗粒尺寸越小其表面积就越大,填料与橡胶母体之间的相互作用就越强,在有Si69的情况下这种相互作用进一步增强。

环境的影响  工作环境对橡胶的疲劳性能也有着一定的影响。相对于空气环境而言,橡胶的疲劳寿命在惰性气体(氮气)中有一定的提高,而在蒸馏水中无明显变化。空气氛围对橡胶疲劳裂纹增长的影响也比较显著,一般惰性环境(如氮气)使疲劳裂纹增长速度下降,氧和臭氧使疲劳裂纹增长加速。与氧的影响相比,臭氧裂纹可在更低的应力下发生,0.5×10-6的臭氧浓度可以使疲劳裂纹增长速率增加40%~80%。与空气氛围相比在水浸入的情况下NR的裂纹增长速率下降50%~70%。操作温度对橡胶疲劳破坏性能的影响则相当复杂,因为疲劳过程中同时发生了不可逆的化学变化(如降解)。另外高温还会影响到材料的模量和拉断伸长率。在多数试验中,NR的疲劳寿命随温度的升高而降低。

力学载荷过程的影响  橡胶动态疲劳过程中所加周期载荷的过程不同,其疲劳寿命也不同。对NR胶料的研究表明,最小应变及载荷比R(R为最小载荷与最大载荷之比)增大时,尽管能量输入降低,但样品的疲劳寿命却增加;当R为负值时,尤其是R=-1时,此时为对称拉伸/压缩周期载荷,即使是采用最低的载荷,疲劳裂纹都会增大,且结晶不会发生,因为在其压缩阶段发生结晶回复;在高载荷比(R=0.5)的情况下,在裂缝尖端处由于应变伸长或钝化效应引起橡胶结晶,阻碍了裂纹增长。

对于任意载荷和复合载荷情况就更复杂了,在压缩/压缩、拉伸/拉伸任意周期载荷情况下,应力幅值不恒定时,加载顺序不同疲劳寿命也有很大不同,从低到高载荷的疲劳寿命比从高到低载荷的要长。

 炭黑填充NRS-SBR硫化胶动态性能及屈挠破坏性的研究弹性体 

炭黑用量对硫化胶动态性能的影响

从图1的a和b可以看出,随着炭黑用量的增加,硫化胶的耐屈挠破坏性基本呈下降趋势,且填充等量同种炭黑时,NR裂口长度明显小于S-SBR的裂口长度,说明NR的耐屈挠破坏性始终较S-SBR的好,这与NR自身的分子链柔顺性较高,耐屈挠性较好有关。图1c中,则是炭黑用量为50质量份时两种硫化胶的耐屈挠破坏性最佳,且不同炭黑用量对两种硫化胶耐屈挠破坏性的影响逐渐减小。

这或许因为N234和N330这或许因为N234和N330两种炭黑的粒径较小,结构度较高,用量的增加将生成更多的结合胶,提高了硫磺在纯胶中的浓度,从而使硫化胶的交联密度增大。对应变一定的疲劳条件来说,交联密度增大则会使每一条分子链上紧张度增大,从而使硫化胶的割口易于增长,所以炭黑用量较小时硫化胶的耐疲劳破坏性越好。

但N660由于粒径较大,用量太小时,增强效果不明显,用量太大时,则硫化胶的硬度增大,两种情况都不利于提高硫化胶的抗裂口增长性,所以填充50质量份时NR和S-SBR硫化胶的抗裂口增长性能反而较好。

 

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