Tidak seperti termoplastik, elastomer biasanya digunakan pada rentang suhu yang luas dan jauh di atas suhu transisi gelas (Tg). Keuntungan elastomer dibandingkan termoplastik adalah kemampuannya untuk pulih hampir sepenuhnya dari keadaan tarik (elastisitas tinggi), serta elastisitas umum, kekerasan rendah, dan sifat modulus rendah. Ketika elastomer digunakan di bawah suhu kamar, elastomer menunjukkan peningkatan kekerasan, peningkatan modulus, dan penurunan elastisitas. Ketika elastomer digunakan di bawah suhu kamar, ada kecenderungan kekerasan meningkat, modulus meningkat, elastisitas menurun (tarik rendah) dan set kompresi meningkat. Tergantung pada masalah elastomernya, dua fenomena dapat terjadi secara bersamaan - pengerasan kaca dan kristalisasi parsial - CR, EPDM, NR adalah beberapa contoh elastomer yang menunjukkan kristalisasi.
1. Ikhtisar pengujian suhu rendah
Kerapuhan, deformasi permanen kompresi, retraksi, pengerasan dan pengerasan kriogenik telah digunakan selama bertahun-tahun untuk mengkarakterisasi sifat polimer pada suhu rendah. Relaksasi tegangan tekan relatif baru dan berfokus pada penentuan kekuatan penyegelan suatu material selama periode waktu tertentu dalam berbagai kondisi lingkungan.
2. Suhu Kerapuhan
ASTM D 2137 mendefinisikan suhu kerapuhan sebagai suhu terendah di mana karet vulkanisasi tidak akan menunjukkan keretakan atau pecah pada kondisi tumbukan tertentu. Lima spesimen karet dengan bentuk yang telah ditentukan disiapkan, ditempatkan dalam ruang atau media cair, diberi suhu tertentu selama 3±0,5 menit, dan kemudian diberi kecepatan tumbukan 2,0±0,2m/s. Spesimen dikeluarkan dan dilakukan uji tumbukan atau pecah. Spesimen dikeluarkan dan diuji benturan atau patahnya, semuanya tanpa kerusakan. Pengujian diulangi hingga suhu kerapuhan - suhu terendah di mana tidak ditemukan retakan adalah mendekati 1°C.
3. Set Kompresi Suhu Rendah dan Pengerasan Suhu Rendah
Prosedur pengujian untuk set kompresi suhu rendah sangat mirip dengan prosedur pengujian untuk set kompresi standar, kecuali bahwa suhu dikontrol dengan beberapa metode energi, seperti es kering, nitrogen cair, atau metode mekanis, dan nilainya berada dalam ± 1°C dari suhu preset. Setelah pemulihan dari perlengkapan, spesimen juga ditempatkan pada suhu rendah yang telah ditentukan sebelumnya dan dicetak dengan diameter 29 mm dan ketebalan 12,5 mm. Set kompresi suhu rendah adalah metode tidak langsung untuk menyegel aplikasi senyawa tersebut. Relaksasi stres tekan merupakan metode langsung dan akan dibahas kemudian. Pengerasan suhu rendah juga biasanya ditentukan dengan menggunakan spesimen set kompresi yang divulkanisasi (29mm x 12.5mm), tetapi diuji ulang pada kontrol suhu rendah, yang sama dengan yang untuk set kompresi, dan kemudian diuji lagi pada suhu yang sama dengan suhu yang disetel. Pengerasan dan rangkaian kompresi suhu rendah secara langsung dipengaruhi oleh pendinginan, tetapi juga oleh kecenderungan polimer untuk mengkristal, dengan laju kristalisasi bergantung pada suhu, misalnya CR mengkristal paling cepat sekitar -10°C, dan kemudian menurun pada suhu yang lebih rendah, terutama karena imobilitas segmen rantai polimer (rantai molekul membeku sebelum penataan ulang).
4. Pengerasan Suhu Rendah Gehman
ASTM D 1053 menjelaskan metode pengerasan suhu rendah sebagai berikut: serangkaian spesimen polimer elastis dilekatkan pada kawat dengan konstanta puntir yang diketahui, dan ujung kawat lainnya dipasang pada kepala puntir yang mampu memungkinkan kawat dipelintir. Benda uji direndam dalam media perpindahan panas pada suhu tertentu di bawah normal, pada saat itu kepala torsi diputar 180°, dan kemudian benda uji diputar dengan jumlah (kurang dari 180°) yang bergantung pada kebalikan dari fleksibilitas dan kekakuan spesimen. Kemudian gunakan besaran goniometer untuk mengetahui besarnya puntiran spesimen, sudut puntir dan kekerasan bahan karet. Suhu sistem dinaikkan secara bertahap pada titik ini, dan diperoleh plot sudut puntir terhadap suhu. Suhu dimana modulus mencapai T2, T10, dan T100 biasanya dicatat sama dengan nilai modulus pada suhu kamar.
5. Retraksi Suhu Rendah (Uji TR)
Uji TR digunakan untuk mengevaluasi kemampuan spesimen dalam keadaan tarik ketika deformasi permanen tekan dan relaksasi tegangan tekan yang ditentukan oleh tegangan tekan digunakan untuk menentukan efek suhu rendah. Seperti dibahas sebelumnya, banyak polimer seperti NR dan PVC akan mengkristal pada suhu rendah, namun peregangan juga dapat mengkristal, sehingga menimbulkan faktor tambahan ketika melihat sifat suhu rendah. Untuk aplikasi evaluasi seperti suspensi knalpot, TR under tension sangat tepat dan sering digunakan. Dalam pengujian ini, spesimen dipanjangkan (seringkali sebesar 50% atau 100%) dan dibekukan dalam keadaan memanjang. Benda uji dilepaskan, pada saat itu suhu dinaikkan pada tingkat yang ditentukan untuk mengukur perolehan kembali benda uji, panjang penyusutan diukur dan perpanjangan dicatat. Suhu di mana spesimen menyusut sebesar 10%, 30%, 50%, dan 70% biasanya dicatat sebagai TR10, TR30, TR50, dan TR70. TR10 berkaitan dengan suhu kerapuhan; TR70 berkaitan dengan deformasi permanen spesimen dalam kompresi suhu rendah; dan perbedaan antara TR10 dan TR70 digunakan untuk mengukur kristalisasi spesimen (semakin besar perbedaannya, semakin besar kecenderungan mengkristal).
6. Relaksasi Stres Kompresif Suhu Rendah (CSR)
Tes CSR dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang kinerja dan umur bahan penyegel. Ketika senyawa elastomer diberi deformasi konstan, gaya gabungan tercipta, dan kemampuan material untuk mempertahankan gaya ini dalam kisaran lingkungan tertentu mengukur kemampuannya untuk menutup. Mekanisme fisik dan kimia berkontribusi terhadap relaksasi stres, berdasarkan waktu dan suhu, satu faktor akan mendominasi, relaksasi fisik diamati pada suhu rendah, segera setelah stres tertentu, yang mengarah pada penataan ulang rantai dan perubahan pada permukaan pengisi karet dan pengisi-pengisi, dan relaksasi sistem penghilangan stres bersifat reversibel. Pada suhu yang lebih tinggi, komposisi kimia menentukan laju relaksasi, ketika proses fisik sudah kecil dan relaksasi kimia tidak dapat diubah, sehingga menyebabkan pemutusan rantai dan reaksi ikatan silang. Siklus suhu atau peningkatan suhu secara tiba-tiba dapat berdampak pada relaksasi stres pada elastomer. Selama pengujian CSR, benda uji ditempatkan
Selama pengujian CSR, relaksasi stres meningkat ketika benda uji terkena suhu tinggi. Jika relaksasi stres terjadi pada awal tes, jumlah relaksasi tambahan meningkat terlebih dahulu dan mempunyai nilai maksimum selama siklus pertama. Dalam benda uji tarik besar untuk menghasilkan sampel paking (diameter luar 19mm, diameter dalam 15mm), dengan perlengkapan elastis akan dikompresi ke spesimen hingga ketebalan suhu ruangan 25%, dan pada 25 ℃ ke dalam ruang uji lingkungan, suhu pada 25 ℃ untuk mempertahankan 24 jam, dan kemudian turun ke -20 ℃, dipertahankan selama 24 jam, diikuti oleh suhu berikutnya antara siklus -20 ~ 110 ℃ 24 jam, seluruh waktu pengujian pada suhu pengujian, suhu pengujian, penentuan gaya terus menerus. Pengukuran gaya dilakukan terus menerus sepanjang waktu pengujian pada suhu pengujian.
7. Pengaruh Kandungan Etilen
7.1 Kandungan etilen memiliki pengaruh terbesar terhadap kinerja polimer EPDM pada suhu rendah. Polimer dengan kandungan Etilen berkisar antara 48% hingga 72% dievaluasi berdasarkan formulasi penyegelan berkualitas tinggi. Semua bertujuan untuk mengurangi variasi viskositas mooney dengan memasukkan ENB ke dalam polimer yang berbeda ini.
Karet EPDM bersifat amorf jika rasio etilen/propilena sama dan distribusi kedua monomer dalam rantai polimer acak. EPDM dengan kandungan etilen 48% dan 54% tidak mengkristal pada atau di atas suhu kamar. Ketika kandungan etilen mencapai 65%, rangkaian etilen mulai bertambah jumlah dan panjangnya serta dapat membentuk kristal, yang diamati pada puncak kristalisasi pada kurva DSC sekitar 40°C. Semakin besar puncak DSC maka semakin besar pula kristal yang terbentuk.
7.2 Selain pengaruh kandungan etilen pada sifat suhu rendah yang dibahas nanti, ukuran kristalit mempengaruhi kemudahan pencampuran dan pemrosesan senyawa yang mengandung kristal. Semakin besar ukuran kristalit, semakin banyak panas dan kerja geser yang diperlukan pada tahap pencampuran untuk mencampurkan polimer dengan komponen lainnya secara menyeluruh. Kekuatan karet mentah senyawa EPDM meningkat seiring dengan meningkatnya kandungan etilen. Dalam formulasi penyegelan dimana pengaruh kandungan etilen diukur, peningkatan kandungan etilen dari 50% menjadi 68% menghasilkan setidaknya peningkatan empat kali lipat pada kekuatan karet. Kekerasan pada suhu kamar juga meningkat seiring dengan meningkatnya kandungan etilen. Kekerasan Shore A perekat polimer amorf adalah 63°, sedangkan kekerasan Shore A polimer dengan kandungan etilen tertinggi adalah 79°. Hal ini disebabkan oleh peningkatan urutan etilen, peningkatan kristalisasi perekat, dan peningkatan polimer termoplastik.
7.3 Ketika kekerasan diukur pada suhu rendah, berbeda dengan polimer dengan kandungan etilen tinggi, polimer amorf menunjukkan perubahan kekerasan yang lebih kecil, sedangkan perubahan kekerasan dengan kandungan etilen lebih tinggi tidak menunjukkan pola linier dan kekerasan tetap tinggi pada suhu kamar, sehingga polimer yang mengandung kandungan etilen lebih tinggi tetap memiliki kekerasan tertinggi pada suhu rendah.
7.4 Set kompresi sangat bergantung pada suhu pengujian. Jika diuji pada suhu 175°C, tidak ada perbedaan dalam set kompresi antara polimer mana pun (set dipengaruhi oleh desain senyawa dan pilihan sistem vulkanisasi). Setelah kristal etilen meleleh, polimer menunjukkan bentuk amorf, dan untuk menguji pengaruh kandungan etilen, pengujian dilakukan pada suhu 23°C. Polimer dengan kandungan etilen lebih tinggi jelas memiliki deformasi permanen yang lebih tinggi (lebih dari dua kali lipat), dan pengaruh kandungan etilen bahkan lebih besar bila diuji pada -20°C dan -40°C. Polimer dengan kandungan etilen lebih dari 60% memiliki deformasi permanen yang tinggi (>80%); pada suhu -40°C, hanya polimer amorf penuh yang memiliki deformasi permanen rendah (17%).
7.5 Pengaruh Kandungan Etilen terhadap Pengerasan Suhu Rendah dari Uji Gehman. Mengingat suhu, semakin tinggi sudutnya, semakin rendah peningkatan kekakuan (atau peningkatan modulus). Pada suhu rendah, modulus kekakuan meningkat secara signifikan dengan meningkatnya kandungan etilen. Untuk polimer amorf, T2 adalah -47°C, sedangkan polimer dengan kandungan etilen tertinggi memiliki T2 hanya -16°C.
7.6TR Mengukur pemulihan penyusutan spesimen setelah pembekuan ekstensi, kandungan etilen mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap metode pengujian, yang juga serupa dengan pengujian Gehman.
Ini mirip dengan tes Gehman. Penyusutan (%) berbagai polimer bervariasi sesuai fungsi suhu, dengan polimer amorf memiliki perolehan susut tertinggi pada suhu rendah; namun, seperti yang diperkirakan, perolehan kembali memburuk seiring dengan meningkatnya kandungan etilen pada suhu tertentu.
pemulihan memburuk. Nilai TR10 bervariasi dari -53°C untuk polimer amorf hingga -28°C untuk polimer dengan kandungan etilen tinggi.
7.7 Siklus relaksasi stres tekan (CSR).
Siklus. Kompres senyawa, diamkan pada suhu 25°C selama 24 jam, lalu tempatkan dalam siklus suhu mulai dari -20°C hingga 110°C secara berkala selama 24 jam. Ketika dikompresi untuk pertama kalinya, setelah periode kesetimbangan, polimer kristal E memiliki kehilangan tegangan yang lebih tinggi dibandingkan polimer amorf, dan ketika diturunkan hingga -20°C kekuatan penyegelan kedua polimer berkurang, sedangkan polimer amorf A memiliki retensi tegangan yang tinggi (F/F0 lebih tinggi). Memanaskan senyawa hingga suhu 110°C memulihkan kekuatan penyegelannya, dan ketika diturunkan kembali ke -20°C, kekuatan penyegelan yang tersisa dari polimer kristalin kurang dari 20% nilainya, yang umumnya dianggap terlalu rendah untuk sebagian besar aplikasi, dengan polimer amorf mempertahankan lebih dari 50% kekuatan penyegelannya, dan polimer amorf lagi-lagi memiliki perolehan kembali yang lebih tinggi dibandingkan polimer kristalin. Siklus berikutnya menghasilkan kesimpulan serupa. Jelas bahwa polimer amorf lebih unggul untuk aplikasi penyegelan yang memerlukan kinerja suhu tinggi dan rendah.
8. Pengaruh Kandungan Diolefin
Untuk memberikan titik tak jenuh yang diperlukan untuk vulkanisasi, diolefin non-konjugasi seperti ENB, HX dan DCPD ditambahkan ke polimer etilen propilena. Satu ikatan rangkap bereaksi dalam matriks polimer, sedangkan ikatan rangkap kedua bertindak sebagai pelengkap rantai molekul terpolimerisasi dan memberikan titik vulkanisasi untuk vulkanisasi kuning belerang. Efek ENB dievaluasi pada profil batang kaca depan (hujan). Polimer yang mengandung ENB 2%, 6% dan 8% dibandingkan. Penambahan ENB memberikan pengaruh yang signifikan terhadap karakteristik vulkanisasi dan kepadatan ikatan silang. Modulus meningkat sementara perpanjangan menurun secara signifikan. Kekerasan meningkat dan set kompresi meningkat seiring kenaikan suhu. Seiring bertambahnya konten ENB, waktu charring menjadi lebih pendek.
ENB adalah bahan amorf, dan bila ditambahkan ke tulang punggung polimer, akan mengganggu kristalisasi bagian etilen polimer, sehingga polimer dengan kandungan etilen yang sama dapat diperoleh, dan kandungan ENB yang lebih tinggi meningkatkan sifat suhu rendah. Pada suhu kamar, konten ENB yang lebih tinggi sedikit meningkatkan set kompresi karena peningkatan kepadatan ikatan silang. Namun, pada suhu rendah, set kompresi polimer dengan kandungan ENB lebih tinggi secara signifikan lebih baik dibandingkan polimer dengan kandungan ENB 2%. Pengaruh kandungan ENB terhadap suhu kerapuhan, suhu retraksi, dan uji Gehman tidak menunjukkan adanya perbedaan suhu kerapuhan yang signifikan antar polimer secara umum, dan untuk uji Gehman dan uji TR, masing-masing polimer menunjukkan peningkatan sifat suhu rendah dengan meningkatnya kandungan ENB.
9. Pengaruh Viskositas mooney pada Sifat Suhu Rendah
Telah diketahui bahwa viskositas mooney (massa molekul) mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap perilaku pemrosesan elastomer. Dalam aplikasi ekstrusi dan pencetakan Dalam aplikasi ekstrusi dan pencetakan, penting untuk memilih senyawa dengan nilai viskositas Mooney yang sesuai. Dengan menggunakan formulasi yang sama yang digunakan untuk menyelidiki pengaruh monomer ketiga, ENB, pada sifat suhu rendah untuk menguji viskositas Mooney, polimer dengan viskositas Mooney 30, 60, dan 80 dibandingkan, dan viskositas Mooney dari senyawa meningkat seiring dengan peningkatan viskositas Mooney dari polimer yang digunakan. Kekuatan tarik, modulus, dan kekuatan karet mentah meningkat seiring dengan meningkatnya viskositas Mooney. Pengaruh viskositas Mooney terhadap sifat suhu rendah EPDM tidak signifikan. Namun, deformasi permanen kompresi pada suhu kamar, -20°C dan -40°C meningkat seiring dengan peningkatan massa molekul. Namun, pengaturan kompresi pada suhu kamar, -20°C dan -40°C tidak berubah secara signifikan dengan bertambahnya massa molekul, sedangkan pengaturan kompresi pada suhu tinggi (175°C) menunjukkan beberapa perubahan pada viskositas mooney yang lebih tinggi dari perekat EPDM.
10. Kesimpulan
Kandungan etilen dan diolefin memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinerja elastomer EPDM pada aplikasi suhu rendah, dengan polimer dengan kandungan etilen rendah bekerja dengan baik dan polimer dengan kandungan diolefin tinggi meningkat karena terganggunya kristalisasi bagian etilen polimer. Polimer dengan kandungan etilen rendah harus digunakan ketika kinerja suhu rendah merupakan batasan.
