Сравнительный анализ нижней границы температурного диапазона работоспособности трех резин по данным различных испытаний
Автор: Адамов Анатолий Арсангалеевич, Цветков Роман Валерьевич
Статья в выпуске: 2, 2010 года.
Бесплатный доступ
Целью работы является выявление нижней границы рабочего интервала температур для трех резин на основе различных каучуков. Использованы три метода испытаний: на приборе УИП-70 сняты термомеханические кривые при постоянной сжимающей нагрузке и постоянной скорости изменения температуры, выполнены испытания на сжатие при гармоническом режиме колебаний при постоянной амплитуде силы и постоянной скорости изменения температуры с помощью прибора DMA 242 C, проведены испытания на растяжение до разрыва с использованием испытательной машины Zwick Z100SN5A при постоянной скорости растяжения и различных уровнях температуры. Полученные разными методами оценки нижней границы работоспособности исследованных резин близки между собой.
Резины, экспериментальное исследование, температура стеклования, морозостойкость
Короткий адрес: https://sciup.org/146211337
IDR: 146211337
Текст научной статьи Сравнительный анализ нижней границы температурного диапазона работоспособности трех резин по данным различных испытаний
Настоящая работа является логическим продолжением работы [ 1 ] по оценке температурного диапазона эксплуатации резин, рекомендованных к использованию в качестве материала гермоэлемента электроизолирующей вставки для нефте- и газопроводов.
Для термомеханического анализа представлены три марки резины на основе фторсиликонового, бутадиеннитрильного и гидрированного бутадиеннитрильного каучуков, условно названные «марка 1», «марка 2» и «марка 3».
Образцы для испытательной машины Zwick Z100SN5A (тип IV по ГОСТ 270-75: общая длина 55 мм, ширина узкой части 2±0,1 мм, допуск по толщине h мах — h мин< 0,1 мм (рабочей части)) вырубались штанцевым ножом, маркировались в случайном порядке, толщина измерялась на обоих уширенных участках, примыкающих к узкой части образца.
Из обрезков пластин также вырублено по 10 круглых образцов диаметром 6 мм для испытаний на приборах УИП-70 и DMA 242C (определение термомеханической кривой и динамический механический анализ).
Для оценки нижней границы температурного диапазона эксплуатации трех представленных резин при одноосном напряженном состоянии (ОНС)
-
• сняты термомеханические кривые на приборе УИП-70 Института технической химии УрО РАН в режиме сжатия постоянной нагрузкой при постоянной скорости изменения температуры;
-
• измерены зависимости от температуры действительной части динамического модуля и тангенса механических потерь на приборе DMA 242 C фирмы «NETZSCH» (Германия) в режиме сжатия синусоидальной нагрузкой с частотой 0,25 и 0,5 Гц при постоянных скоростях изменения температуры 2 и 5 оС/мин;
-
• проведены испытания на растяжение до разрыва с постоянной скоростью движения подвижной траверсы на испытательной машине Zwick Z100SN5A при различных постоянных уровнях температуры.
Температурой стеклования Tc называется [2-5] температура или область температур, ниже которой каучук или резина приобретает свойства твердого тела в результате процесса стеклования . Материал находится в высокоэластическом или стеклообразном физических состояниях соответственно выше и ниже T c .
В зависимости от природы процесса стеклования различают температуру структурного (зависит от скорости изменения температуры) и механического (зависит от частоты внешнего воздействия) стеклования, которые обозначают соответственно Тсстри Тсмех . Как правило, экспериментально
определенные разными методами значения
Т с мех > Т с стр [5].
Однозначного способа определения температуры стеклования нет, так как в реальности существует переходный температурный интервал размягчения резины (кожеподобного состояния) между стеклообразным и высокоэластичным состояниями. Длина этого интервала размягчения определяется типом каучука, составом резины, способом и режимами нагружения и т.д.
Наиболее важно оценивать термомеханические свойства деформируемых резин в интервале температур от Т с до ~( Т с + 30)°С, соответствующем «размытому» фазовому переходу с резким ограничением подвижности структурных элементов резины. Например, рассмотренное в [1] повышение температуры эксплуатации ВЭИ с -20 до 0 °С обеспечило снижение предельного уровня напряженности в 12 раз.
Измерение температуры стеклования дилатометрическим методом на приборе УИП-70
В данной работе определение Tc = T c CTp проводилось на приборе УИП-70 Института технической химии УрО РАН дилатометрическим методом в температурном диапазоне от -80 до +50 ° C. Использовались составные образцы диаметром 6 мм, вырубленные из плоских пластин.
Методика испытаний состояла в нагружении образца малой постоянной сжимающей нагрузкой с последующим измерением длины образца при постоянной скорости изменения его температуры.
Результаты обработки полученных термомеханических кривых приведены в табл. 4. В ней указана температура стеклования, соответствующая точке пересечения касательных к двум ветвям термомеханической кривой по начальному участку размягчения, в скобках указано значение температуры стеклования, являющееся средним значением по участку размягчения (дополнительно определялась аналогичная точка пересечения касательных к двум ветвям термомеханической кривой по конечному участку размягчения, по этим двум значениям вычислялось среднее значение).
Результаты динамических испытаний на приборе DMA 242C
C помощью динамического механического анализа (ДМА) возможно количественное определение механических характеристик материала при периодической нагрузке в зависимости от температуры, времени и частоты (стандарты DIN 53440, DIN 53513, DIN 53440, DIN-IEC 1006, ASTM D 4092, ASTM D 4065).
На рис. 1-3 приведены результаты анализа трех исследованных марок резин на приборе DMA 242 C фирмы «NETZSCH» (Германия) в режиме сжатия синусоидальной нагрузкой в диапазоне от -1,5 до -5Н с частотой f = 0,5 Гц при постоянной скорости изменения температуры б T / б t = 2 оС/мин (при б T / б t = 5 оС/мин не обеспечиваются условия достаточной однородности поля температур в деформируемом образце) от -90 оС до +25 оС.
Измерены зависимости от температуры приращения длины образца dL (T), действительной части динамического модуля Юнга E'(f, T), тангенса угла механических потерь tg 6(f, T) = E"(f, T)/ E'(f, T), ха- рактеризующие вязкоупругую связь осевого напряжения о(t) и осевой деформации а(t) при гармоническом нагружении (комплексное представление):
а0 exp[i(tot + 8)] = E(ito)a 0 exp(itot), to = 2лf, i = 4-1,
E (i to) = E '(to) + iE "(to).
Рис. 1. Результаты измерений на DMA 242 C для образца резины марки 1
Рис. 2. Результаты измерений на DMA 242 C для образца резины марки 2
Рис. 3. Результаты измерений на DMA 242 C для образца резины марки 3
Определение температуры механического стеклования проводилось по максимуму тангенса угла потерь tg 5 ( T ) и путем графической обработки термомеханической кривой d L(T ), аналогично процедуре, использованной для обработки данных УИП-70. Результаты приведены в табл. 4.
Температура, °C
Рис. 4. Действительная часть комплексного модуля Юнга для трех марок резины (DMA 242 С)
Полученные результаты позволяют также оценить нижнюю температурную границу работоспособности исследованных резин T k по коэффициенту морозостойкости ([5], метод Б ГОСТ408-78), где k=E ( T k )/ E ( T 1 ). Считая, что модуль Юнга Е ( T) приближенно равен действительной части комплексного модуля Юнга Е’ ( T) , по данным рис. 4 найдем значения T 10 и T 20, соответствующие коэффициентам морозостойкости K =0,1 и K =0,05. Результаты этих определений также приведены в табл. 4.
Результаты испытаний трех марок резины на испытательной машине Zwick Z100SN5A
Растяжение образцов типа IV по ГОСТ 270-75 на испытательной машине Zwick Z100N5A проведено при скорости перемещения подвижной траверсы V =250 мм/мин. Поддержание заданного уровня температуры в термокамере осуществлялось с точностью ± 1 оС. При каждом уровне температуры испытывалось 5 идентичных образцов.
На рис. 5-6 приведены примеры диаграмм растяжения и их начальные участки на границе интервала работоспособности для резины марки 3 (см. рис. 5) и при комнатной температуре (см. рис. 6).
Рис. 5. Диаграммы растяжения и её усредненный начальный участок при температуре -30 оС, марка 3
Рис. 6. Диаграммы растяжения и её усредненный начальный участок при температуре +25 оС, марка 3
В табл. 1-3 приведены обобщенные данные испытаний резины трех исследованных марок в условиях ОНС на испытательной машине Zwick Z100N5A. На рис. 5, 6 и в табл. 1-3 использованы следующие обозначения приведенных величин:
-
• E мод — модуль Юнга (определялся путем построения линейной регрессии на заданном интервале по напряжению);
-
• W по лная - полная работа по растяжению образца;
-
• R m - максимальное номинальное напряжение;
-
• s- FMaKC - относительное удлинение при R m ;
-
• x - среднее значение усредняемой величины;
-
• s - среднеквадратичное отклонение усредняемой величины;
-
• v - коэффициент вариации усредняемой величины, %.
-
• Напряжение - номинальное напряжение = растягивающая сила, деленная на начальную площадь поперечного сечения образца;
-
• Номинальное удлинение - перемещение траверсы машины, деленное на начальную приведенную длину образца.
По результатам, приведенным в табл. 1-3, на рис. 7-8 построены графики зависимостей от температуры модуля Юнга, максимального номинального напряжения и полной работы разрушения.
Таблица 1
Обобщенные статистические данные испытаний, марка 1
|
т , ос |
Статистика |
E мод , МПа |
Rm , МПа |
8- F max , % |
W i полная, Н'М |
|
–60 |
x |
682,25 |
16,26 |
131,35 |
1,36 |
|
s |
236,89 |
3,17 |
38,06 |
0,58 |
|
|
V |
34,72 |
19,47 |
28,98 |
42,91 |
|
|
–50 |
x |
282,41 |
15,81 |
203,46 |
1,61 |
|
s |
52,15 |
3,50 |
55,74 |
0,75 |
|
|
V |
18,47 |
22,12 |
27,40 |
46,30 |
|
|
–40 |
x |
40,81 |
16,13 |
274,15 |
1,93 |
|
s |
11,12 |
1,82 |
37,26 |
0,45 |
|
|
V |
27,25 |
11,29 |
13,59 |
23,18 |
|
|
–30 |
x |
13,19 |
15,76 |
324,19 |
2,10 |
|
s |
6,26 |
0,97 |
19,27 |
0,25 |
|
|
V |
47,45 |
6,13 |
5,94 |
12,13 |
|
|
–20 |
x |
8,21 |
13,44 |
311,82 |
1,77 |
|
s |
1,94 |
1,17 |
24,68 |
0,22 |
|
|
V |
23,68 |
8,70 |
7,91 |
12,46 |
|
|
0 |
x |
6,59 |
11,71 |
332,59 |
1,67 |
|
s |
1,89 |
0,36 |
9,39 |
0,14 |
|
|
V |
28,60 |
3,06 |
2,82 |
8,26 |
|
|
+25 |
x |
5,28 |
9,70 |
343,83 |
1,42 |
|
s |
0,47 |
0,32 |
18,13 |
0,22 |
|
|
V |
8,97 |
3,25 |
5,27 |
15,54 |
|
|
+50 |
x |
4,70 |
7,77 |
254,03 |
0,82 |
|
s |
1,02 |
0,88 |
27,47 |
0,17 |
|
|
V |
21,59 |
11,39 |
10,82 |
20,49 |
Таблица 2
Обобщенные статистические данные испытаний, марка 2
|
т , ос |
Статистика |
Е , МПа |
F max , МПа |
8- F max , % |
W Нм полная , м |
|
–25 |
x |
672.22 |
19,24 |
259,68 |
2,67 |
|
s |
124,98 |
1,27 |
22,48 |
0,39 |
|
|
V, % |
18,59 |
6,59 |
8,66 |
14,75 |
|
|
–20 |
x |
336,33 |
19,39 |
302,81 |
2,71 |
|
s |
149,86 |
1,01 |
13,79 |
0,19 |
|
|
V, % |
44,56 |
5,20 |
4,55 |
7,17 |
|
|
–15 |
x |
29,81 |
19,41 |
366,60 |
2,74 |
|
s |
6,25 |
0,90 |
11,12 |
0,29 |
|
|
V, % |
20,98 |
4,66 |
3,03 |
10,71 |
|
|
–10 |
x |
15,17 |
17,88 |
399,97 |
2,64 |
|
s |
0,84 |
0,57 |
13,33 |
0,16 |
|
|
V, % |
5,56 |
3,16 |
3,33 |
6,03 |
Окончание табл. 2
|
т , ос |
Статистика |
Е , МПа |
F max , МПа |
8- F max , % |
W Нм полная , м |
|
0 |
x |
12,32 |
14,46 |
440,79 |
2,44 |
|
s |
0,92 |
0,52 |
14,12 |
0,12 |
|
|
V, % |
7,47 |
3,61 |
3,20 |
4,86 |
|
|
+25 |
x |
6,34 |
7,27 |
408,72 |
1,35 |
|
s |
0,08 |
1,07 |
54,63 |
0,27 |
|
|
V, % |
1,23 |
14,73 |
13,37 |
20,17 |
|
|
+50 |
x |
8,91 |
3,55 |
176,48 |
0,33 |
|
s |
0,43 |
0,24 |
17,03 |
0,05 |
|
|
V, % |
4,81 |
6,76 |
9,65 |
15,55 |
Таблица 3
Обобщенные статистические данные испытаний, марка 3
|
т , ос |
Статистика |
E мод , МПа |
R m , МПа |
8- F max , % |
W полная, Н^м |
|
–30 |
x |
1308,07 |
45,19 |
124,06 |
3,05 |
|
s |
258,63 |
2,87 |
16,71 |
0,59 |
|
|
V |
19,77 |
6,34 |
13,47 |
19,47 |
|
|
–20 |
x |
278,34 |
41,42 |
174,67 |
3,15 |
|
s |
138,51 |
4,36 |
23,59 |
0,74 |
|
|
V |
49,76 |
10,52 |
13,50 |
23,54 |
|
|
–15 |
x |
19,86 |
40,66 |
215,53 |
3,44 |
|
s |
2,54 |
2,14 |
12,03 |
0,45 |
|
|
V |
12,79 |
5,27 |
5,58 |
13,09 |
|
|
–10 |
x |
14,18 |
37,92 |
243,60 |
3,47 |
|
s |
0,64 |
4,48 |
27,51 |
0,80 |
|
|
V |
4,49 |
11,82 |
11,29 |
22,99 |
|
|
0 |
x |
11,37 |
33,30 |
289,88 |
3,42 |
|
s |
0,77 |
3,52 |
24,35 |
0,62 |
|
|
V |
6,79 |
10,58 |
8,40 |
18,01 |
|
|
+25 |
x |
5,93 |
23,99 |
440,26 |
3,79 |
|
s |
0,18 |
1,35 |
26,21 |
0,54 |
|
|
V |
2,98 |
5,65 |
5,95 |
14,19 |
|
|
+50 |
x |
8,13 |
16,11 |
282,94 |
1,64 |
|
s |
0,27 |
1,94 |
30,71 |
0,37 |
|
|
V |
3,37 |
12,02 |
10,85 |
22,74 |
Температура, °C
а
б
а
Рис. 8. Зависимости максимальных номинальных напряжений ( а ) и работы разрушения ( б ) от температуры для разных марок резины
Рис. 7. Зависимости модуля Юнга (в диапазонах до 130 МПа ( а ) и до 50 МПа ( б )) от температуры для разных марок резины
б
Определение морозостойкости резины температуры по результатам определения модуля Юнга на Zwick Z100SN5A выполнено аналогично процедуре, реализованной при обработке данных DMA 242C, результаты приведены в табл. 4.
Полученные результаты испытаний образцов на растяжение до разрыва позволяют сделать следующие выводы:
-
1. Наиболее чувствительным к температуре параметром является модуль Юнга.
-
2. Резина марки 1 и по этому виду испытаний является наиболее пригодной по показателям морозостойкости для эксплуатации в широком диапазоне температур эксплуатации.
-
3. Существенно более прочной и энергоёмкой при разрушении в интервале температур -20.. .+50 оС) является резина марки 3.
Анализ обобщенных в табл. 4 результатов оценки нижней границы диапазона работоспособности исследованных резин всеми методами показывает, что для резин марок 2 и 3 они существенно отличаются по температуре стеклования от величин, заданных в ТУ. Причины такого явления требуют дополнительного исследования.
Таблица 4
Обобщенные результаты определения температур стеклования и морозостойкости
|
Параметр оценки нижней границы диапазона работоспособности, оС |
Резина |
||
|
Марка 1 |
Марка 2 |
Марка 3 |
|
|
Нижняя граница диапазона работоспособности по ТУ |
–60 |
–40 |
–45 |
|
Температура структурного стеклования ( dL , УИП-70) |
–65(–46) |
–34(–28) |
–29(–25) |
|
Температура механического стеклования (max tg 5, DMA 242 C) |
–61 |
–19 |
–18 |
|
Температура механического стеклования ( dL , DMA 242 C) |
–59(–41) |
–29(–22) |
–23(–19) |
|
Температура Т 10 ( К =0,1; E’ ; DMA 242 C) |
–41 |
–16 |
–14 |
|
Температура Т 20 ( К =0,05; E’ ; DMA 242 C) |
–50 |
–19 |
–15 |
|
Температура Т 10 ( К =0,1; E ; Zwick) |
–41 |
–16 |
–16 |
|
Температура Т 20 ( К =0,05; E ; Zwick) |
–45 |
–17 |
–17 |
Сделанные выводы необходимо воспринимать с учетом известной экспериментальной информации о влиянии различных неисследованных факторов на морозостойкость резин.
Морозостойкость резинового изделия часто ухудшается в процессе эксплуатации [5]. Например, образование микротрещин на поверхности изделия при длительном старении может вызвать его разрушение при охлаждении. Повышение остаточной деформации сжатия резин в процессе хранения или эксплуатации изделий снижает их морозостойкость. Так, после выдержки прокладок из резины на основе бутадиеннитрильного каучука (БНК) в сжатом состоянии при 150°С в течение 120, 720 и 1680 часов температура разуплотнения повышается от -40 до соответственно -25, -15 и -4°С. В результате старения резины на основе ЭПТК (этиленпропилендиеновый каучук) в сжатом состояния при 150°С в течение 72 и 120 часов значение Тс повышается с -60 до -56 и -38 оС соответственно [5].
Морозостойкость резин может также существенно понизиться из-за потери пластификатора в процессе старения изделия при повышенной температуре, из-за вымывания пластификатора контактирующими жидкими или газообразными средами, дополнительного сшивания резин с серной системой вулканизации сероводородом, присутствующим в перекачиваемых газах и жидкостях.
