Till skillnad från termoplaster används elastomerer vanligtvis över ett brett temperaturområde och betydligt över deras glasövergångstemperatur (Tg). Fördelarna med elaster framför termoplaster är deras förmåga att återhämta sig nästan fullständigt från dragtillståndet (hög elasticitet), såväl som deras generella elasticitet, låga hårdhet och låga modulegenskaper. När elastomerer används under rumstemperatur visar de en ökning i hårdhet, en ökning i modul och en minskning av elasticitet. När elastomerer används under rumstemperatur finns det en tendens att hårdhet ökar, modul att öka, elasticitet att minska (låg draghållfasthet) och kompressionsinställning att öka. Beroende på problemet med elastomeren kan två fenomen inträffa samtidigt - glashärdning och partiell kristallisation - CR, EPDM, NR är några exempel på elastomerer som uppvisar kristallisation.
1. Översikt över lågtemperaturtestning
Sprödhet, kompression permanent deformation, retraktion, härdning och kryogen härdning har använts i många år för att karakterisera polymeregenskaper vid låga temperaturer. Kompressionsspänningsavslappning är relativt nytt och fokuserar på att bestämma tätningskraften hos ett material under en tidsperiod under olika miljöförhållanden.
2. Sprödhet Temperatur
ASTM D 2137 definierar sprödhetstemperaturen som den lägsta temperaturen vid vilken vulkaniserat gummi inte kommer att uppvisa brott eller brista under specificerade stötförhållanden. Fem gummiprover av förutbestämd form bereds, placeras i en kammare eller flytande medium, utsätts för en inställd temperatur i 3±0,5 minuter och ges sedan en anslagshastighet på 2,0±0,2m/s. Proverna tas bort och utsätts för ett slag- eller brotttest. Provet tas bort och testas för slag eller brott, allt utan skador. Testet upprepades upp till sprödhetstemperaturen - den lägsta temperaturen vid vilken ingen fraktur hittades var mycket nära 1°C.
3. Lågtemperaturkompressionssats och lågtemperaturhärdning
Testproceduren för lågtemperaturkompressionssats ligger mycket nära den för standardkompressionssatsen, förutom att temperaturen styrs av någon energimetod, såsom torris, flytande kväve eller mekaniska metoder, och värdet ligger inom ± 1°C från den förinställda temperaturen. Efter återhämtning från fixturen placeras även provet vid den förinställda låga temperaturen och formas till en diameter på 29 mm och en tjocklek på 12,5 mm. Lågtemperaturkompressionssats är en indirekt metod för att täta applikationer av blandningen i fråga. Kompressiv stressavslappning är den direkta metoden och kommer att diskuteras senare. Lågtemperaturhärdning bestäms också vanligtvis med hjälp av ett vulkaniserat kompressionssetprov (29 mm x 12,5 mm), men testas om vid en lågtemperaturkontroll, som är samma som för kompressionsinställning, och sedan igen vid samma temperatur som deras inställda temperatur. Härdning och lågtemperaturkompressionssättning påverkas direkt av kylning, men också av polymerens tendens att kristallisera, med kristalliseringshastigheten beroende av temperaturen, t.ex. CR kristalliseras snabbast runt -10°C och minskar sedan vid lägre temperaturer, främst på grund av orörligheten hos polymerkedjesegmenten (de molekylära kedjorna fryser om).
4. Gehman lågtemperaturhärdning
ASTM D 1053 beskriver lågtemperaturhärdningsmetoden enligt följande: en serie elastiska polymerprover är fast fästa på en tråd med en känd vridningskonstant, och den andra änden av tråden är fäst vid ett torsionshuvud som kan tillåta att tråden vrids. Proverna sänks ned i ett värmeöverföringsmedium vid en specifik temperatur under det normala, vid vilken tidpunkt torsionshuvudet vrids med 180°, och sedan vrids proverna med en mängd (mindre än 180°) som är beroende av inversen av provets flexibilitet och styvhet. Använd sedan mängden goniometer för att bestämma hur mycket provet vrids, vridningsvinkeln och gummimaterialets hårdhet. Systemets temperatur ökas gradvis vid denna punkt, och en plottning av vridningsvinkeln mot temperaturen erhålls. Temperaturerna vid vilka modulen når T2, T10 och T100 registreras vanligtvis som lika med modulvärdet vid rumstemperatur.
5. Lågtemperaturretraktion (TR-test)
TR-testet används för att utvärdera förmågan hos ett prov i dragtillstånd när kompressions permanent deformation och tryckspänningsrelaxation bestämt av tryckspänning används för att bestämma lågtemperatureffekter. Som beskrivits tidigare kommer många polymerer som NR och PVC att kristallisera vid låga temperaturer, men sträckning kan också kristallisera, vilket leder till ytterligare faktorer när man tittar på lågtemperaturegenskaper. För utvärderingstillämpningar som avgasfjädring är TR under spänning mycket lämplig och används ofta. I detta test är provet förlängt (ofta med 50 % eller 100 %) och fryst i det långsträckta tillståndet. Provet frigörs, vid vilken tidpunkt temperaturen höjs med en bestämd hastighet för att mäta återhämtningen av provet, längden på krympningen mäts och förlängningen registreras. Temperaturerna vid vilka provet krymper med 10 %, 30 %, 50 % och 70 % anges vanligtvis som TR10, TR30, TR50 och TR70. TR10 hänför sig till sprödhetstemperaturen; TR70 hänför sig till den permanenta deformationen av provet vid lågtemperaturkompression; och skillnaden mellan TR10 och TR70 används för att mäta kristallisation av provet (ju större skillnad, desto större tendens att kristallisera).
6 . Kompressiv stressavslappning vid låg temperatur (CSR)
CSR-testet kan användas för att göra förutsägelser om prestanda och livslängd för tätningsmaterial. När en elastomerförening ges en konstant deformation skapas en kombinerad kraft och materialets förmåga att bibehålla denna kraft inom ett visst miljöområde mäter dess förmåga att täta. Både fysiska och kemiska mekanismer bidrar till spänningsavslappning, baserat på tid och temperatur, en faktor kommer att dominera, fysisk avslappning observeras vid låga temperaturer, omedelbart efter en given spänning, vilket leder till omläggning av kedjan och förändringar i gummi-filler- och filler-filler-ytorna, och avslappningen av spänningsborttagningssystemet är reversibel. Vid högre temperaturer bestämmer den kemiska sammansättningen relaxationshastigheten, när de fysikaliska processerna redan är små och den kemiska relaxationen är irreversibel, vilket leder till kedjebrott och tvärbindningsreaktioner. Temperaturcykler eller plötsliga temperaturökningar kan ha en effekt på stressavslappning i elastomerer. Under CSR-testet placeras testexemplaret
Under CSR-testning ökar stressavslappningen när testexemplaret utsätts för förhöjda temperaturer. Om stressavslappning inträffar tidigt i testet, ökar mängden ytterligare avslappning först och har ett maximalt värde under den första cykeln. I en draghållfast stor testbit för att producera packningsprover (19 mm ytterdiameter, innerdiameter 15 mm), med en elastisk fixtur kommer att komprimeras till provet till deras rumstemperaturtjocklek på 25 %, och vid 25 ℃ in i miljötestkammaren, temperaturen vid 25 ℃ för att bibehålla ℃, 2 timmar, och sedan upprätthållas i 24h, 0,0 timmar. nästa temperatur mellan -20 ~ 110 ℃ cykel av 24h, hela testtiden vid testtemperatur, testtemperaturen, kontinuerlig kraftbestämning. Kraftmätningen utförs kontinuerligt under testtiden vid testtemperaturen.
7. Effekt av etyleninnehåll
7.1 Etenhalten har störst inverkan på EPDM-polymerernas lågtemperaturprestanda. Polymerer med etylenhalt från 48 % till 72 % utvärderades under högkvalitativa tätningsformuleringar. Alla syftar till att minska variationen i mooney-viskositet genom att introducera ENB i dessa olika polymerer.
EPDM-gummi är amorft om förhållandet eten/propen är lika och fördelningen av de två monomererna i polymerkedjan är slumpmässig. EPDM med 48% och 54% etenhalt kristalliserar inte vid eller över rumstemperatur. När etylenhalten når 65 % börjar etylensekvenserna öka i antal och längd och kan bilda kristaller, som observeras i kristallisationstopparna på DSC-kurvorna runt 40°C. Ju större DSC-topparna är, desto större blir kristallerna som bildas.
7.2 Förutom effekten av etenhalt på lågtemperaturegenskaper som diskuteras senare, påverkar kristallitstorleken hur lätt det är att blanda och bearbeta föreningar som innehåller kristaller. Ju större kristallitstorleken är, desto mer värme- och skjuvarbete krävs vid blandningssteget för att helt blanda polymeren med de andra komponenterna. Rågummistyrkan hos EPDM-blandningar ökar med ökande etenhalt. I tätningsformuleringar där effekten av etenhalten mättes resulterade en ökning av etenhalten från 50% till 68% i en minst fyrfaldig ökning av gummits styrka. Hårdheten i rumstemperatur ökar också med ökande etylenhalt. Shore A-hårdheten för det amorfa polymerlimmet är 63°, medan Shore A-hårdheten för polymeren med den högsta etenhalten är 79°. Detta beror på ökningen av etensekvensen, ökningen av kristallisation i limmet och motsvarande ökning av termoplastiska polymerer.
7.3 När hårdheten mäts vid låga temperaturer, i motsats till polymererna med hög etenhalt, visar de amorfa polymererna mindre förändring i hårdhet, medan hårdhetsförändringen för den högre etenhalten inte visar ett linjärt mönster och hårdheten förblir hög vid rumstemperatur, så att polymererna som innehåller den högre etenhalten fortsätter att ha den högsta hårdheten vid låg temperatur.
7.4 Kompressionsuppsättningen är till stor del beroende av testtemperaturen. Om den testas vid 175°C finns det ingen skillnad i kompressionssättning mellan någon av polymererna (uppsättningen påverkas av sammansättningens utformning och valet av vulkaniseringssystem). Efter smältning av etenkristallerna uppvisar polymeren en amorf form, och för att undersöka effekten av etenhalten gjordes tester vid 23°C. Polymerer med högre etylenhalt har klart högre permanent deformation (mer än dubbelt så mycket), och effekten av etylenhalten är ännu större när de testas vid -20°C och -40°C. Polymerer med mer än 60% eteninnehåll har hög permanent deformation (>80%); vid -40°C har endast de helt amorfa polymererna låg permanent deformation (17%).
7.5 Effekt av eteninnehåll på lågtemperaturhärdning från Gehman-tester. Givet en temperatur, ju högre hörn, desto lägre ökning i styvhet (eller ökning av modul). Vid låga temperaturer ökar styvhetsmodulen avsevärt med ökande etenhalt. För amorfa polymerer är T2 -47°C, medan polymeren med den högsta etenhalten har en T2 på endast -16°C.
7.6TR Mätning av krympningsåtervinning av prover efter förlängningsfrysning, har etenhalten en betydande effekt på testmetoden, som återigen liknar Gehman-testet.
Detta liknar Gehman-testet. Krympningen (%) av de olika polymererna varierar som en funktion av temperaturen, varvid de amorfa polymererna har den högsta krympningsåtervinningen vid låga temperaturer; som förutspått försämras emellertid återvinningen när etenhalten ökar vid en given temperatur.
återhämtningen försämras. Värdet på TR10 varierar från -53°C för amorfa polymerer till -28°C för polymerer med hög etenhalt.
7.7 Cykel för kompressionsspänningsavslappning (CSR).
Cykel. Komprimera föreningarna, låt dem slappna av vid 25°C i 24 timmar och placera dem sedan i en cykel med temperaturer från -20°C till 110°C intermittent i 24 timmar. När den komprimeras för första gången, efter jämviktsperioden, har den kristallina polymeren E en högre spänningsförlust än den amorfa polymeren, och när den sänks till -20°C minskar tätningskraften hos de två polymererna, medan den amorfa polymeren A har en hög retention av spänning (högre F/F0). Uppvärmning av föreningen till 110°C återställde dess tätningskraft, och när den bringades tillbaka till -20°C var den kvarvarande tätningskraften hos den kristallina polymeren mindre än 20 % av dess värde, vilket generellt anses vara för lågt för de flesta applikationer, där den amorfa polymeren bibehåller mer än 50 % av sin tätningskraft, och den amorfa polymeren återigen har en högre återvinningspolymer än den kristallina polymeren. Nästa cykel gav liknande slutsatser. Det är tydligt att amorfa polymerer är överlägsna för tätningstillämpningar där prestanda vid höga och låga temperaturer krävs.
8. Effekt av diolefininnehåll
För att tillhandahålla den omättade punkten som krävs för vulkanisering tillsätts icke-konjugerade diolefiner som ENB, HX och DCPD till etenpropenpolymerer. En dubbelbindning reagerar i polymermatrisen, medan den andra fungerar som ett komplement till den polymeriserade molekylkedjan och ger vulkaniseringspunkten för svavelgul vulkanisering. Effekten av ENB utvärderades i vindrutans (regn) profiler. Polymerer innehållande 2 %, 6 % och 8 % ENB jämfördes. Tillsatsen av ENB hade en signifikant effekt på vulkaniseringsegenskaperna och tvärbindningsdensiteten. Modulen ökade medan töjningen minskade signifikant. Hårdheten ökade och kompressionssättningen förbättrades vid temperaturökning. När ENB-innehållet ökar blir förkolningstiden kortare.
ENB är ett amorft material, och när det tillsätts till polymerstommen stör det kristallisationen av etendelen av polymeren, så att polymerer med samma eteninnehåll kan erhållas, och det högre innehållet av ENB förbättrar lågtemperaturegenskaperna. Vid rumstemperatur förbättrar det högre ENB-innehållet kompressionsinställningen något på grund av den förbättrade tvärbindningsdensiteten. Vid låga temperaturer är emellertid kompressionssättningen för polymerer med högre ENB-halt betydligt bättre än för polymerer med 2% ENB-halt. Effekten av ENB-innehåll på sprödhetstemperatur, temperaturretraktion och Gehmans test visade ingen signifikant skillnad i sprödhetstemperatur mellan polymerer i allmänhet, och för Gehmans test och TR-testet visade varje polymer en förbättring av lågtemperaturegenskaper med ökande ENB-halt.
9. Effekt av mooneys viskositet på lågtemperaturegenskaper
Det är välkänt att mooney-viskositet (molekylmassa) har en signifikant effekt på bearbetningsbeteendet hos elastomerer. Vid extrudering och formning Vid extrudering och formning är det viktigt att välja en blandning med ett lämpligt Mooney-viskositetsvärde. Med användning av samma formulering som användes för att undersöka effekten av den tredje monomeren, ENB, på lågtemperaturegenskaper för att undersöka Mooney-viskositet, jämfördes polymerer med Mooney-viskositeter på 30, 60 och 80, och Mooney-viskositeten för föreningarna ökade när Mooney-viskositeten för de använda polymererna ökade. Draghållfasthet, modul och rågummistyrka ökade med ökande Mooney-viskositet. Effekten av Mooney-viskositet på lågtemperaturegenskaperna hos EPDM var inte signifikant. Den permanenta kompressionsdeformationen vid rumstemperatur, -20°C och -40°C ökar dock med ökande molekylmassa. Kompressionsinställningen vid rumstemperatur, -20°C och -40°C förändrades dock inte signifikant med ökande molekylmassa, medan kompressionsinställningen vid förhöjda temperaturer (175°C) visade vissa förändringar för de högre mooney-viskositeterna hos EPDM-lim.
10. Slutsats
Eten- och diolefininnehållet har en signifikant effekt på prestandan hos EPDM-elastomerer i lågtemperaturtillämpningar, med polymerer med lågt eteninnehåll fungerar bra och polymerer med högt diolefininnehåll förbättras på grund av störd kristallisation av etendelen av polymeren. Polymerer med låg etylenhalt bör användas när lågtemperaturprestanda är en begränsning.
