原創:橡膠的黏彈性能

2021-01-16 橡膠技術李秀權工作室

橡膠在加工過程中通常是從固體變為半固體，再從半固體變固體（硫化），所以加工過程中橡膠於不同條件下會分別表現出固體和半固體的性質，即表現出彈性和粘性。但是由於橡膠大分子的長鏈結構和大分子運動的逐步性質，橡膠的形變不可能是純彈性和純粘性的，橡膠對應力的響應兼有彈性固體和粘性流體的雙重特性稱粘彈性。粘彈性定義在材料中黏性和彈性的結合， 材料不僅具有彈性，而且具有摩擦。當應力被移除後，一部分功被用於摩擦效應而被轉化成熱能，這一過程可用應力應變曲線表示。黏性和彈性的貢獻取決於時間、溫度、應力和應變率。蠕變、應力鬆弛和永久變形是橡膠粘彈性行為的重要表現。

蠕變


橡膠在一定的溫度和外力(拉力、壓力或扭力)下,會產生隨時問而增加的形變,這種現象被稱為蠕變。 蠕變是在恆定外力下橡膠變形的增加；可以在拉伸、壓縮或剪切中測定。由於橡膠的粘彈性而引起的蠕變與時間的對數成正比，它被成為一級蠕變，在短時間內它起主要作用。在起源上，二級蠕變可能是物理或化學致使。

應力鬆弛


應力鬆弛是橡膠在恆定變形時，其應力隨著時間而降低。ASTM-D1390一般是在樣品壓縮25%時測定應力鬆弛。應力鬆弛的測定對了解用於密封（如墊圈）的橡膠的性能是有用的。在高溫和長時間時，化學鬆弛佔主導地位，它通常與時間呈線性關係。不太主要的物理鬆弛大致與對數時間成線性關係。

影響橡膠蠕變和應力鬆弛的因素：由於分子鏈間有化學鍵接，構成交聯網絡，應力鬆弛只能鬆弛到與網絡變形相應的平衡應力值；蠕變時不存在分子鏈的相對移動，即不存在粘性流動；形變恢復時也沒有永久變形。例如交聯（硫化）橡膠與未交聯橡膠相比，前者受力時形變程度小，形變速度較慢，不存在塑性變形和流動。

應力鬆弛的測定可以促進產品的新材料或改性材料的開發，橡膠定時帶、橡皮筋、橡膠減震套、發動機支座、橋梁和建築減隔震支座和密封圈是這些產品的代表。

例如：NR不同硫化體系的應力鬆弛曲線

壓縮永久變形

 

硫化橡膠壓縮永久變形的大小，涉及到硫化橡膠的彈性與恢復，有時候人們往往以為橡膠的彈性好，其恢復就快，永久變形就小，這種理解是不夠的，永久變形的大小主要是受橡膠恢復能力所支配，影響恢復能力的因素有分子之間的作用力（粘性）、網絡結構的變化或破壞、分子間的位移等。當橡膠的變形是由於分子鏈的伸張引起的，它的恢復（或者永久變形的大小）主要由橡膠的彈性所決定，如果橡膠的變形還伴有網絡的破壞和分子鏈的相對流動，這部分可以說是不可恢復的，它是與彈性無關的，所以，凡是影響橡膠彈性與恢復的因素，都是影響硫化橡膠壓縮永久變形的因素。

橡膠在長時間的壓縮下會發生壓縮永久變形。永久變形的程度依賴於許多變量。ASTM  395-98描述了在特定溫度和時間，在恆定外力（方法A）或恆定屈撓（方法B）下的測試方法。試樣的殘留變形在樣品離開試驗機30min後測定。在恆定屈撓下測定壓縮永久變形的方法B更為普遍，部分原因是它需要設備比方法A更簡單。

  普遍的錯誤觀念是壓縮永久變形越低，則橡膠更好。有一個趨勢是在制定技術說明時只允許非常小的永久變形。通過橡膠的過硫有可能獲得十分低的壓縮永久變形值。但是，橡膠的過硫反過來影響其他的物理性能，如強度，屈撓和耐老化性能。因此，低壓縮永久變形不是好的橡膠材料所必須的。橡膠技術人員的困難任務是平衡這些不同的性能，以獲得更佳的性能綜合。

  儘管壓縮永久變形實驗通常在高溫下進行以縮短實驗時間，但有時也在非常低的溫度下進行，以研究結晶橡膠如NR的結晶行為。提高實驗溫度也用於研究橡膠的老化行為。

             摘自和參考《工程橡膠製品-設計、製造、性能測試》遊長江老師  翻譯

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