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氯丁橡胶的老化动力学参数研究

更新时间:2016-07-05

橡胶制品广泛应用于国防、汽车、建筑、电子电气等各个领域。在橡胶的贮存和使用中,其性能会逐渐变差而造成巨大的损失,如在固体火箭发动机中,起密封作用的橡胶失效将导致整个部件功能丧失或报废。由于橡胶老化的复杂性、实验和测试手段的限制,人们对老化规律的认识有一定片面性。根据老化机理分析,橡胶的老化是交联和断裂同时存在的过程,有些物性指标如应力松弛主要反映断裂过程,有些物性指标如强度是交联和断裂过程综合作用结果,只有认识橡胶老化性能变化的一些基本规律,掌握橡胶老化的动力学参数,才能建立橡胶制品寿命预测方法,正确有效地使用橡胶。目前对橡胶老化研究有很多报道[1-9],如Nabak等[10]通过研究溴化丁基橡胶老化发现,在-150~250 ℃温度范围内,硫化体系中的交联反应比聚合物链的降解和剪切更为主要;在水、酸、碱等物质作用下,热塑性丁苯橡胶(SBS)会发生大分子自由基自动催化反应[11]。目前在橡胶老化评定和定量计算的研究方面进展相当缓慢。

本文根据氯丁橡胶在空气、海水中的老化实验结果,用非线性回归法处理数据,分别计算了氯丁橡胶在空气、海水中的老化动力学参数,为预测其老化程度和寿命提供了基本参考。

1 实验部分

1.1 原料

氯丁橡胶:德国拜尔公司。

Error Analysis and Treatment Strategy of Ultra Short Baseline Positioning System for Submarine Cable ZHOU Jing,XIAO Bo,GONG Houcheng,GUO Qiang(138)

1.2 仪器及设备

烘箱:上海实验仪器总厂;TH-5000N型电子万能试验机:江都天惠试验机械有限公司。

1.3 老化实验

(1) 测试样品的制备:按照GB/T 528—82中的H型要求,将试样裁剪成哑铃型,厚度为(2.7±0.2)mm。

(2) 在海水中的加速老化实验:配制人工海水,其中氯化钠质量分数为3.5%。将试样分别放入温度为313K、323K、333K、353K的海水中进行老化(不通空气),每隔一定时间取样,试样取出后放置10 h,测试试样的撕裂强度和拉伸强度。

对表5的实验数据进行拟合计算,得到老化动力学参数,如表6所示。

1.4 分析测试

拉伸强度按照 GB/T 528—2009进行测试;撕裂强度按照 GB/T 529—2008进行测试。

2 结果与讨论

2.1 以拉伸强度变化计算海水中老化动力学参数

氯丁橡胶拉伸强度在海水中随着老化时间的变化规律如表1所示。

1 氯丁橡胶在海水中老化后的拉伸强度

老化时间/d拉伸强度/MPa323K343K353K019.3019.3019.30319.1618.5017.92618.8118.0017.49918.5317.6516.791218.4417.1016.491518.2216.9716.122017.8616.5515.502517.9415.7615.103017.7215.4614.643517.4915.2114.284017.2615.5314.265017.2414.9613.516016.8114.5712.947016.7513.8312.53

试样的撕裂强度与老化时间的关系如式(5)所示。

S=bexp(-ktα)

(1)

式中:k为老化速率常数;σ为拉伸强度,MPa;t为老化时间,d;а、b为与温度无关的常数。

根据表1中的数据进行数据拟合,得到式(1)中的参数,如表2所示。

根据阿伦尼乌斯方程式(2),用表2中不同温度下的老化速率常数k对式(2)进行回归处理,可以得到式(3)。

4.以“八荣八耻”为主要内容的社会主义荣辱观是这一核心价值体系的基础。“八荣八耻”荣辱观旗帜鲜明地提出了在社会主义市场经济条件下,人们应当提倡什么,反对或抵制什么,为全体社会成员在判断言行得失、作出道德选择、确定价值取向等方面,提供了基本的价值准则和行为规范,构成了与社会主义市场经济和社会主义法律法规相适应、与中华民族传统美德相承接的社会主义思想道德体系。

(2)

式中:A为表观频率因子;T为老化温度,K;Ea为老化表观活化能,kJ/mol;R为气体常数。

(3) 用不同物理性能指标计算得到的动力学参数不同,表明老化对不同性能指标影响不同。计算得到氯丁橡胶的老化动力学参数,为预测老化程度和寿命提供了基本参数。

lnk=8.3-3 994.3/T

(3)

根据式(3)计算试样在海水中老化时以拉伸强度变化表示的老化表观活化能,Ea=3 994.3×8.314/1 000=33.21 kJ/mol。

2 氯丁橡胶在海水中老化后的以拉伸强度 为指标的老化动力学参数

温度/Kkbа3230.01719.520.52023430.03619.520.52023530.04819.520.5202

2.2 以拉伸强度变化计算空气中老化动力学参数

氯丁橡胶的拉伸强度在空气中随着老化时间的变化规律如表3所示。

3 氯丁橡胶在空气中老化后的拉伸强度

老化时间/d拉伸强度/MPa353K373K403K019.3019.3019.301--18.42319.1618.9313.514--11.63618.8117.559.70918.3416.277.781217.9815.451517.6514.512017.0313.342516.5812.703016.0911.893515.6110.974015.2110.354514.849.975014.458.596013.817.75

对表3中的实验数据进行拟合,得到式(1)中的参数,如表4所示。

4 氯丁橡胶在空气中老化后的以拉伸强度 为指标的老化动力学参数

温度/Kkbа3530.01319.520.79123730.03519.520.79124030.15519.520.7912

用表4中不同温度下的老化速率常数k对式(2)进行回归处理,得到式(4)。

lnk=15.46-6 998.4/T

(4)

试样在空气中老化时,以拉伸强度变化表示的老化表观活化能Ea=6 998.4×8.314/1 000=58.19 kJ/mol。

2.3 以撕裂强度变化计算海水中老化动力学参数

氯丁橡胶在海水中老化,其撕裂强度随着老化时间的变化规律如表5所示。

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5 氯丁橡胶在海水中老化后的撕裂强度

老化时间/d撕裂强度/(kN·m-1)313K323K333K353K049.2749.2749.2749.27347.7546.9745.2941.17647.3146.2844.8839.23946.7345.9143.8437.061246.5245.1242.7935.041545.9744.8641.6834.551845.6243.9640.1233.442145.1243.8740.2630.282545.2043.9140.0930.823044.5342.6339.5429.893544.1742.5938.6029.334043.4942.3138.2929.32

试样的拉伸强度与老化时间的关系如式(1)所示。

σ=bexp(-ktα)

(5)

式中:S为撕裂强度,kN/m;k为老化速率常数;t为老化时间,d;b、а为与温度无关的常数。

(3) 在空气中的加速老化实验:在老化实验箱中,进行热空气老化实验,老化实验温度分别为353K、373K、403K,每隔一定时间取样,试样取出后放置10 h,测试试样的撕裂强度和拉伸强度。

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6 氯丁橡胶在海水中老化后的以撕裂强度 为指标的老化动力学参数

温度/Kkbа3130.02349.500.4513230.03049.500.4513330.05049.500.4513530.10849.500.451

用表6中不同温度下的老化速率常数k对式(2)进行回归处理,可以得到式(6)。

lnk=10.16-4 383.42/T

(6)

在海水中老化时,试样以撕裂强度变化表示的老化表观活化能Ea =4 383.42×8.314/1 000=36.44 kJ/mol。

The load characteristic equation of the brushless DC motor is

3 结 论

(1) 氯丁橡胶在相同温度下,以拉伸强度变化计算得到的老化速率常数在海水中比在空气中的大,表明在海水中更易老化。

(2) 根据实验数据计算,氯丁橡胶老化表观活化能在海水中比在空气中的小,以拉伸强度变化计算得到的表观活化能分别为33.21 kJ/mol、58.19 kJ/mol,表明介质对老化速度有较大影响。

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李金玉,文庆珍
《弹性体》 2018年第02期
《弹性体》2018年第02期文献

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