Обсуждаем на форуме
Список тематических статей
Физические и эксплуатационные свойства вулканизатов. Методы испытаний 1
Теплостойкость
Свойства резины изменяются во времени при температуре окружающей среды или изменяются с большей скоростью под действием тепла. Следовательно, испытания на тепловое старение проводятся для измерения изменений в физических свойствах резин при повышенных температурах, которые могут быть близки к температурам эксплуатации реального изделия. Можно проводить испытания на «ускоренное тепловое старение» и использовать результаты для прогнозирования эксплуатации изделия при более низких температурах. Однако есть несколько причин несоответствия испытаний на тепловое старение реальным условиям эксплуатации при более низких температурах. Во-первых, при повышенных температурах сильнее проявляется влияние окислительных процессов. Во-вторых, скорость диффузии кислорода больше при повышенных температурах. В-третьих, геометрия испытуемого образца обычно отличается от реального изделия, вследствие чего различаются отношения площади поверхности, которая подвергается воздействию, к объему. Это означает, что количество кислорода, которое продиффундирует в испытуемый образец, будет отличаться от количества, которое может продиффундировать в изделие. Этот фактор объясняет плохую корреляцию испытаний на тепловое старение не только с характеристиками изделия при более низких температурах, но и с характеристиками, полученными при испытании реального изделия на тепловое старение.
В ASTM D573 описывается стандартный метод на старение образцов резины в термошкафах. Многоместная рамка, в которой закреплены образцы в виде двухсторонних лопаток каждой испытуемой резины, помещается в камеру термошкафа, где происходит ее старение при 70 или при 100 °С. Некоторые образцы исследуемой резины (или партии резины) испытываются на прочность при растяжении, относительное удлинение, напряжение при различных удлинениях через промежутки времени, как правило, через 2, 4, 7 и 14 дней. Рассчитывается процент изменения показателя от первоначального значения. Существуют оптимальные условия по температуре и времени проведения испытания для лучшей чувствительности к трудноразличимым изменениям в свойствах резины. Если температура и время испытания слишком маленькие или слишком большие, то можно получить одинаковые результаты для двух разных испытуемых резин. Кроме того, в данном методе несколько образцов разных резин находятся в одной камере термошкафа. При нахождении разных образцов в одной камере летучие ингредиенты смеси, например, пластификаторы и противостарители, могут мигрировать из одного испытуемого образца в другой, что может повлиять на результаты испытания. Наконец, нужно отметить, что важным фактором является скорость прохождения воздуха. При равных температурах высокая скорость прохождения воздуха дает более жесткие условия старения, чем низкая. ISO 188 метод А схож с ASTM D573, за исключением того, что в методе ISO может применяться как однокамерный, так и многокамерный термошкаф. Очевидно, что при использовании многокамерного термошкафа можно исключить влияние миграции компонентов. Метод ISO не ограничен только испытанием на растяжение образцов.
ASTM D865 обычно называют методом старения в пробирке. Идея метода состоит в нагревании образцов в пробирках в теплообменной среде, чтобы исключить проблему миграции ингредиентов резины, которая имеет место в однокамерном термошкафе. Малый поток воздуха является основной этого метода. Таким образом, условия старения в пробирке обычно не такие жесткие, как в термошкафе. Не существует стандарта ISO, описывающего этот метод.
ASTM D572 называют методом «кислородной бомбы», поскольку образец резины подвергается воздействию кислорода при повышенном давлении и определенных высоких температурах в течении заданного периода времени в соответствующей камере, описанной в стандарте. Необходимо следовать всем правилам безопасности, опубликованным в ASTM. Преимуществом этого метода является то, что повышенное давление кислорода увеличивает скорость его диффузии в образец. Есть соответствующее испытание, описанное в ISO 188 метод Б.
ASTM D454 называется методом «воздушной бомбы». В принципе, он схож с ASTM D572, который только что обсуждался, за исключением того, что вместо кислорода используется воздух при разных температурах и давлениях. Должны соблюдаться все меры безопасности, указанные в ASTM. Этим методом получают результаты, которые занимают промежуточное положение между данными, полученными при испытании «кислородная бомба», и при испытании на старение, проводимом на воздухе при давлении окружающей среды. Не существует соответствующего стандарта ISO на испытание «воздушная бомба».
Международный стандарт ISO 6914 называется «Определение показателей старения путем измерения напряжения при данном удлинении». Неофициально он называется «непрерывная релаксация напряжения в процессе старения» и «периодическая релаксация напряжения в процессе старения». В данном случае «релаксация напряжения» может быть неправильным употреблением термина, поскольку напряжение в процессе старения может расти, а не падать.
Озоностойкость
Резины на основе эластомеров общего назначения и некоторых эластомеров специального назначения, если они не защищены эффективным воском и/или системой антиозонантов, могут быть чувствительны к воздействию озона при эксплуатации в деформированном состоянии. Испытания на действие озона (О3) не могут проводиться без деформации образцов резины. Однако иногда даже очень небольшие деформации могут вызвать «губительное глубокое растрескивание» в среде озона. Как правило, приложение больших деформаций приводит к образованию более частых и мелких трещин. Обычно, очень низкая концентрация, всего 1 часть на миллион, может привести к озонному растрескиванию. В мире в некоторых сельских регионах концентрация озона в атмосфере может составлять от 1 до 10 частей на миллион, в то время как в городах уровень концентрации может быть значительно выше. Стандартные испытания на озоностойкость проводятся в специальных озонных камерах, в которых концентрация озона составляет от 25 до 200 частей на миллион.
Озон оказывает воздействие на поверхность резины. Для улучшения стойкости к озону многие резины содержат антиозонанты, например, п-фенилендиамины и специальные смеси парафина с микрокристаллическими восками. Перед проведением испытания на озоностойкость образцы резины, содержащие антиозонанты, должны быть выдержаны определенное время в темноте, чтобы у антиозонантов было время выцвести (выйти) на поверхность резины.
Существуют как статические, так и динамические испытания на озоностойкость. При статических испытаниях защитные барьеры из воска не разрушаются. Но динамические испытания, при которых действительно происходит ослабление и разрушение защитного слоя, лучше соответствуют динамическим условиям эксплуатации изделия. Следовательно, динамические условия испытания лучше для измерения относительных эффективностей действия таких антиозонантов, как п-фенилендиамины. Кроме того, важно, что при динамических испытаниях на озоностойкость для предотвращения образования трещин по механизму утомления применяют низкую частоту деформации.
Очень важна температура, при которой проводится испытание на озоностойкость. При очень высоких температурах озон становится нестабильным. Обычно, данное испытание проводят при температуре 40 °С. Для определения эффективности действия различных восков Джовет (Jowett) предложил проводить испытание также при 0 °С. Кроме того, на результаты испытания может повлиять высокая влажность, поэтому она должна быть отмечена в протоколе испытаний. Предпочтительно проводить испытания на озоностойкость при низкой влажности.
В ASTM D1149 описывается стандартный метод испытания на озоностойкость в статических условиях, в котором в качестве испытуемых образцов должны использоваться растянутые или изогнутые прямоугольные полоски. ASTM D1171 — это другой статический метод испытания озоностойкости, в котором используются образцы с треугольным поперечным сечением, закрепленные в круглых оправах. ASTM D3395 описывает стандартные методы испытания на озоностойкость в динамических условиях. По методу А прямоугольная полоска резины подвергается циклической деформации изгиба при частоте 0,5 Гц и максимальной амплитуде 25%. В методе Б описано испытание на изгиб приводного ремня.
Метод испытания на озоностойкость по ISO 1431 в значительной мере отличается от методик, описанных в ASTM. ISO 1431 имеет разделы, в которых описываются как статические, так и динамические испытания на озоностойкость. Скорости движения газа в камере для ISO 1431, могут значительно отличаться от скоростей, применяемых в испытаниях по ASTM D1149, что может привести к разным результатам, полученных по этим методам. Кроме того, раздел динамических испытаний ISO 1431 не включает испытание приводного ремня, как описано в ASTM D3395. С другой стороны, раздел ISO 1431 «Динамические испытания на озоностойкость» наряду с полосками допускает применение в качестве испытуемых образцов двухсторонних лопаток (Т50). Есть и другие различия между ISO и ASTM.
Атмосферостойкость
Оценить атомосферостойкость довольно сложно. Свойства резиновых изделий могут ухудшиться под действием солнечного света, что включает влияние ультрафиолетовой радиации, действие влаги дождя или росы, действие кислорода и озона. Эти воздействия могут привести к растрескиванию поверхности, разрушению наружного слоя, образованию сетки волосяных трещин, отслаиванию и обесцвечиванию. В конечном счете, эти поверхностные дефекты могут привести к разрушению изделия. Мы уже обсуждали методы испытания, разработанные специально для определения влияния кислорода и озона на свойства вулканизата, хотя эти методы могут не соответствовать эксплуатационным характеристикам реального изделия. Вероятно, лучшим способом испытания на атмосферостойкость является долгосрочное планирование независимых исследований в разных внешних условиях, а не по выбранному стандарту в какой-либо одной местности, например, во Флороиде. Недостатком испытания является непредсказуемость погоды. Существуют стандартные методы испытания, в которых можно имитировать и контролировать внешние погодные условия. Для многих резин технический углерод обеспечивает очень хорошую защиту от ультрафиолетового излучения. Однако цветные (не содержащие технический углерод) резины обесцвечиваются под действием погодных условий и излучения.
В ASTM D518 описывается методика подготовки образцов резины для испытания в «нормальных погодных» условиях или в среде озона. В ASTM D750 описывается электрический аппарат, имитирующий погодные условия, в котором образцы резины подвергаются действию яркого света и периодическому распылению воды при контролируемых условиях. ISO 4665 несколько отличается от методов ASTM. Часть 1 стандарта ISO относится к определению изменений в свойствах под действием естественных погодных условий и искусственного света. Часть 2 описывает методы испытания в естественных погодных условиях, а часть 3 – под действием искусственного света.
Стойкость к жидким средам
Когда резиновое изделие находится в частом контакте с жидкими средами, что характерно для многих автомобильных деталей, важным становится стойкость к определенной жидкой среде (или группе жидкостей). Воздействие жидкости может повлиять на вулканизат тремя способами. Наиболее часто это воздействие заключается в набухании путем абсорбции жидкости вулканизованным каучуком. Во-вторых, менее часто, это экстракция, в результате которой определенные компоненты резины растворяются и удаляются, уменьшая объем резины. Третье возможное воздействие – это химическое взаимодействие жидкости с резиной. Это может не вызвать изменение объема, но может привести к значительному ухудшению физических свойств. В реальных условиях в определенной степени все три способа воздействия могут происходить одновременно. Однако, наиболее часто имеет место набухание.
В ASTM D471 описывается, как выбрать стандартную жидкость для испытания, требования к подготовке образцов, условиям испытания при воздействии жидкости, как измерить гравиметрически (или по изменению размеров) изменение объема образца под воздействием выбранной жидкости, определить процент растворимых компонентов, которые экстрагировались, определить изменение твердости и деформационных свойств. ISO 1817 схож с ASTM D471, но есть некоторые различия. ASTM D1460 разработан специально для измерения изменений длины данного образца резины при погружении в определенную жидкость. Этот метод иногда применяется при испытании с более летучими жидкостями.
Стойкость к абразивному и усталостному износу.
Сопротивление износу является важным свойством резины, особенно для таких изделий, как шины, конвейерные ленты, подошвы обуви, обрезиненные валы, рукава и др. Для прогнозирования этих свойств материалов было разработано широкое разнообразие приборов для испытаний на абразивный износ и нахождения корреляции с износостойкостью изделий.
Большое количество свойств резины влияет на поведение при износе. Сопротивление износу зависит от сопротивления к разрастанию надрезов, сопротивления раздиру и утомлению, от твердости, эластичности и термостойкости. В испытаниях на абразивный износ пытаются ускорить этот процесс путем применения более «острой» истирающей поверхности. Однако, этот подход не соответствует реальным условиям эксплуатации изделия. Важно также подобрать жесткость условий испытаний аналогично жесткости работы изделия. Например, жесткость условий испытания, созданная в аппарате для испытания истиранием, обычно больше, чем это бывает при воздействии на шину при обычном качении по магистрали.
При испытаниях на абразивный износ поверхность образца резины приводится в контакт с абразивным материалом. Испытуемые резины обычно сравниваются по «потере объема», которая рассчитывается исходя из потери массы и плотности резины. Известно, что результаты данного испытания непостоянны. Поэтому важно контролировать и стандартизировать используемый для испытания абразивный материал. Кроме того, полезно проводить параллельные сравнительные испытания с образцами стандартной резины.
В ASTM D394, методе испытания на абразивный износ фирмы DuPont, предполагается использование пары испытуемых образцов, прижимаемых к диску специальной абразивной бумаги. Необходимо проявлять осторожность при испытании мягкой резины, поскольку может произойти ее «размазывание», что повлияет на результаты.
В ASTM D1630 описывается так называемый аппарат для испытания истиранием NBS. Этот метод используется для испытания обувных подошв. Прибор представляет собой вращающийся цилиндр с определенной абразивной бумагой. Испытание необходимо проводить с использованием наряду с испытуемым образцом контрольного образца для расчета индекса истирания. Следует внимательно следить за тем, чтобы частички истираемой резины не размазывались на абразивной бумаге и не засоряли ее.
ASTM D2228 описывает аппарат для испытания на истирание по Pico. Этот уникальный прибор работает по принципу истирания поверхности резины посредством вращения резиновых образцов против пары ножей из карбида вольфрама. Между образцом и ножами для защиты последних используется специальный пылеобразный порошок для поглощения частичек резины, смол, масла и других загрязнений. Этот метод предусматривает пять эталонных образцов, для которых определены рецепты и режимы смешения.
В ASTM D3389 описывается аппарат для испытания истиранием Taber, но этот метод первоначально не предназначался для резиновой промышленности. Это очень распространенный метод, в котором используется два колеса с абразивным материалом, которые истирают образец резины (диск), присоединенный к вращающейся платформе. Количество скольжений неизменно, а другие условия могут быть изменены.
В ISO 4649 описывается аппарат для испытания истиранием DIN, названный так, поскольку он основан на немецком стандарте. Образец резины, закрепленный в держателе, истирается о покрытый абразивной бумагой вращающийся цилиндр. Поскольку держатель образца позволяет испытуемому образцу двигаться от одного края барабана к другому по мере его вращения, то маловероятно, что резина останется на абразивной бумаге. Этот метод широко используется в Европе.
Британский стандарт BS 903: часть А 9 описывает аппарат для испытания истиранием Akron, а также еще три прибора. Образец для испытания представляет собой сформованное колесо, которое располагается напротив цилиндра с абразивной поверхностью с контролируемыми скоростями движения. Прибор Akron имеет преимущество в возможности изменения степени скольжения в процессе испытания.
