Обсуждаем на форуме
Список тематических статей
Физические и эксплуатационные свойства вулканизатов. Методы испытаний 2
ПлотностьПлотность — это отношение веса (или массы) к объему при определенной температуре. Это свойство определяет массу (вес) данной резиновой смеси, требуемой для заполнения полости формы. Смеси с большей плотностью требуют большего веса материала для заполнения полости формы данного размера. Поскольку сырье обычно закупается на единицу веса, а формованные резиновые изделия получаются в формах с фиксированным объемом, знание плотности смеси является очень важным при подсчете стоимости изделия. Обычно, увеличение загрузок наполнителей, например, технического углерода, белой сажи или каолина, приводит к увеличению плотности смеси. Многократное увеличение концентрации наполнителя уменьшает цену изделия. Кроме того, измерение плотности смеси — это эффективное качественное испытание для определения отклонений от рецептуры резиновой смеси, которые, наряду с другими причинами, могут быть вызваны изменениями в навесках ингредиентов и их смешения.
Плотность образца вулканизованной резиновой смеси может быть измерена и подсчитана по принципу Архимеда, в соответствии с которым образец взвешивается в воде и на воздухе. ISO 2781 дает детальное описание методики расчета плотности вулканизованного образца. Дополнительно в стандарте оговорены особые случаи. Например, если свулканизованная трубка или кабельная изоляция испытываются с захваченным воздухом, то это может привести к неверным результатам. Чтобы избежать этого, в ISO 2781 по методу Б рекомендуется разрезать образец на маленькие кусочки и проводить испытание на пикнометре с использованием аналитических весов.
Твердость
Определение твердости — это простое, недорогое и быстрое испытание, которое используется повсеместно в резиновой промышленности. Твердость определяется по сопротивлению резины деформации под действием силы, приложенной к твердому индентору. Это приводит к измерению «модуля» резины при очень малой деформации. Если сила прикладывается к индентору с постоянной нагрузкой, то этот метод называется Международной твердостью в единицах МГТР (Международные градусы твердости резины), который описан в ASTM D1415 или ISO 48. В этом испытании обычно используется полусферический индентор.
Если сила прикладывается к индентору через пружину, то это метод измерения твердости на дюрометре (обычно маленький карманный прибор), описанный в ASTM D2240 и ISO 7619. В этом методе используется шкала Шор А, которая схожа, но не идентична шкале МГТР, и шкала Шор Д, которая используется для испытания вулканизатов с большой твердостью. В этих методах также используются и другие шкалы. Общепринятого перехода от значений по шкале Шор А к значениям шкалы Шор Д не существует, а есть только грубое приближение. Кроме того, тип индентора по Шору (усеченный конус) отличается по геометрии от индентора МГТР (полусфера). Твердость по Шору является более распространенным методом, поскольку помещающийся в руке дюрометр является транспортабельным, и может быть использован как в лаборатории, так и на заводе.
Испытания на твердость являются отчасти грубыми измерениями и могут проводиться только при очень ограниченных деформациях, что может не соответствовать эксплуатации изделия. Кроме того, данные, полученные в результате этих испытаний, могут иметь большой разброс. Плохая воспроизводимость результатов обусловлена неравномерностью толщины образца, различиями во времени пребывания индентора в образце, тем, как прибор был установлен и применен, влиянием краев образца (когда испытание проводится слишком близко к краю образца), или, например, различиями в геометрии образца. Следовательно, эти испытания на твердость не следует считать реальным измерением конструкторского или технического свойства. Но это быстрый и простой метод определения значительных различий в свойствах резины.
Прочность при растяжении
Измерение прочности при растяжении — это наиболее общепринятое испытание в резиновой промышленности. Его проводят на разрывных машинах, где свулканизованный резиновый образец, имеющий форму двусторонней лопатки для закрепления в зажимах, растягивается с определенной скоростью (обычно 500 мм/мин), и при этом измеряется напряжение. В ASTM D412 и ISO 37 подробно описывается стандартная методика, используемая для определения напряжения при удлинении резины.
Обычно определяются (1) предельная прочность при растяжении, (2) предельное удлинение и (3) напряжения при различных удлинениях. Предельная прочность при растяжении — это максимальное напряжение, при котором образец в виде двухсторонней лопатки разрушается в процессе удлинения. Предельное удлинение — это величина приложенной деформации, при которой происходит разрушение образца. Напряжение при удлинении обычно определяется при различных заданных деформациях (например, 100 и 300%) до разрушения образца.
В отличие от металлов, кривая нагрузка–удлинение для «типичной» резины не имеет (или имеет на очень небольшом участке) линейной области. Следовательно, не практикуется расчет модуля Юнга, который представляет собой угол наклона прямой линии, проведенной тангенциально к кривой и выходящей из ее начала. Вместо этого определятся напряжение при выбранном удлинении. Величины напряжений для различных удлинений неверно называются некоторыми технологами «модуль 100%», «модуль 300%» и т.д. Однако эти величины на самом деле не являются значениями модулей.
На деформационные свойства, например, прочность при растяжении, могут влиять плохое смешение и диспергирование, присутствие примесей, недовулканизация, перевулканизация, пористость и другие факторы. Недиспергированные частицы различных ингредиентов смеси, например, агломераты технического углерода, вызывают концентрацию напряжений в процессе растяжения резиновой лопатки, приводя к преждевременному разрушению при низких напряжениях. Примеси, такие как загрязнения или фрагменты бумаги, также могут вызвать разрушение лопатки при более низком напряжении. Летучие компоненты смеси также могут привести к образованию пор в процессе вулканизации. Эти пустоты также могут снизить прочность при растяжении. И, наконец, резина, изготовленная в лаборатории, обычно имеет более высокую прочность при растяжении, чем производственная резина, поскольку в лабораторных условиях обычно достигается более качественное диспергирование.
Рассмотренные здесь испытания в режиме нагрузка–удлинение касаются предварительно недеформированных образцов. Однако если образец резины в виде лопатки предварительно растянуть, например, более чем на 400% от первоначальной длины, и дальше проводить испытание обычным способом, то это может значительно повлиять на поведение резины в режиме нагрузка–удлинение. Особенно справедливо это для резин, содержащих активные наполнители, такие как технический углерод. Предварительное растяжение образца вызывает «размягчение», которое происходит из-за разрушения агломератов технического углерода. Если предварительно растянутой лопатке дать «отдохнуть», то ее модуль (или напряжение при удлинении), как правило, возрастет. Поскольку многие резиновые изделия подвергаются повторяющимся циклам нагрузка–удлинение, то это явление может повлиять на конечные эксплуатационные характеристики.
Многие резиновые изделия не подвергаются деформации растяжения более чем на 30%. Поэтому прочность при растяжении не всегда является важным показателем для изделия (за исключением резиновых лент). С другой стороны, испытание резины в режиме нагрузка–удлинение является ценным способом оценки ее качества для выявления рецептурных ошибок на производстве, а также полезным при разработке рецептов.
Деформационные свойства при сжатии
Испытание в режиме нагрузка–деформация при сжатии часто в большей степени соответствует реальным условиям эксплуатации изделия, чем испытания при растяжении. Обычно, этот метод испытания включает измерение напряжения, возникающего при сжимающей деформации, приложенной к стандартному вулканизованному резиновому образцу цилиндрической формы, находящемуся между двумя пластинами. Результаты испытания на сжатие зависят от таких факторов, как форма резинового образца, предварительная подготовка, скорость деформации, а также степенью связи или скольжения образца между двумя металлическими пластинами. Большое скольжение в процессе испытания приводит к снижению «цилиндричности» формы. Это снижение сильно влияет на результаты испытания. Стандартные методы для определения свойств в режиме нагрузка–деформация при сжатии описаны в ASTM D575 и ISO 7743, хотя они совершенно разные. В методе ASTM используется абразивная бумага для предотвращения скольжения, в то время как одна часть метода ISO предполагает использование смазки, а другая часть предусматривает, чтобы образцы были прикреплены к параллельным металлическим пластинам. Конечно, различные условия испытания приводят к разным результатам.
Деформационные свойства при сдвиге
Определение свойств в режиме нагрузка–деформация при сдвиге также может быть очень важным при эксплуатации некоторых резиновых изделий. Обычно, большинство резиновых изделий не эксплуатируются при деформациях, превышающих 75%. Результирующая кривая нагрузка-деформация может быть линейной до 100% для «мягких» резин и до 50% для «твердых» резин. Общепринятым методом испытания для определения свойств резин в режиме нагрузка-деформация при сдвиге является ISO 1827.
Динамические свойства
Многие резиновые изделия эксплуатируются в динамических условиях, как например, шины, приводные ремни, изоляция, виброизоляторы и др. Наилучшим способом для измерения и количественной оценки динамических свойств вулканизатов является приложение механической синусоидальной деформации к образцу резины и измерение комплексного напряжения и результирующего фазового угла (δ). Фазовый угол δ и комплексный модуль (G* для сдвига, E* для сжатия или растяжения) используются для расчета модуля накопления (G' или E') или модуля потерь (G'' или E''). Тg δ можно рассчитать, разделив G'' на G' или E'' на E'. Для определения значений жесткости пружины k*, k' и k'' может быть применен тот же принцип. Для определения динамических свойств используют стандарты ISO 2856, ASTM D2231 и более новый ASTM D5992.
Ниже приведены термины для определения некоторых динамических свойств, принятых в резиновой промышленности.
· Нормальный модуль накопления E' (нормальный модуль эластичности) — это составная часть нормального напряжения, точно совпадающая по фазе с приложенной нормальной синусоидальной деформацией, деленная на величину деформации.
· Нормальный модуль потерь E'' (нормальный модуль вязкости) — это составная часть нормального напряжения, отстающего по фазе на 90° от приложенной нормальной деформации, деленная на величину деформации.
· Комплексный нормальный модуль E* — это результирующее нормальное напряжение, деленное на нормальную результирующую деформацию. Из векторного анализа, (E*)2 = (E')2 + (E'')2.
· Модуль накопления при сдвиге G' (модуль эластичности при сдвиге) — это составная часть напряжения сдвига, точно совпадающая по фазе с приложенной синусоидальной деформацией сдвига, деленная на величину деформации.
· Модуль потерь при сдвиге G'' (модуль вязкости при сдвиге) — это составная часть напряжения при сдвиге отстающего по фазе на 90° от приложенной деформации сдвига, деленная на величину деформации.
· Комплексный модуль при сдвиге G* — это результирующее напряжение при сдвиге, деленное на результирующую деформацию сдвига. Из векторного анализа, (G*)2 = (G')2 + (G'')2.
· Фазовый угол δ (угол потерь) — это угол, под которым динамическая сила опережает динамическую синусоидальную деформацию.
· tg δ (фактор потерь) —это отношение модуля потерь к модулю накопления. Для нормальных напряжений tg δ = E''/E', а для напряжений сдвига tg δ = G''/G'. Более высокие значения tg δ обычно свидетельствуют о большем гистерезисе резины при данном комплексном модуле.
· Гистерезис — это процесс, происходящий в резине при воздействии циклической деформации, в результате которого происходит потеря механической энергии в виде тепла. Петлей гистерезиса называют замкнутую кривую, образованную кривой зависимости динамической силы от динамической деформации в полном цикле.
· Затуханием называют составную часть комплексной динамической силы, которая на 90° отличается по фазе от деформации.
При описании условий проведения динамических испытаний резины крайне важно указать точную температуру, частоту, амплитуду деформации, тип деформации, предварительную подготовку образца и историю деформирования. На результаты испытания могут повлиять также другие факторы, например, форма испытуемого образца. Обычно, но не всегда, модуль эластичности вулканизатов уменьшается с ростом температуры или уменьшением приложенной частоты. С реологической точки зрения, влияние роста температуры при динамических испытаниях резины обычно эквивалентно уменьшению частоты, и наоборот. Это принцип температурно-временной суперпозиции, который может выполняться для модуля эластичности, модуля потерь, фактора потерь и tg δ в соответствии с уравнением Вильямса (Williams), Ландела (Landel) и Ферри (Ferry) (ВЛФ).
Амплитуда приложенной деформации и цикл деформирования испытуемого образца также очень важны, особенно для вулканизатов, содержащих наполнители, поскольку на взаимодействие наполнитель–наполнитель и наполнитель–полимер влияют приложенные деформации. Модуль эластичности обычно уменьшается с увеличением амплитуды приложенной деформации из-за этих взаимодействий. Это явление известно как эффект Пэйна. Кроме того, на измеряемые динамические свойства большое влияние могут оказывать предшествующий цикл деформации и предварительная подготовка образца.
Имеется большое количество работ Футамура и Гэтти, в которых показано, как по данным динамических свойств шинных резин можно предсказать такие свойства шин, как сопротивление качению, легкость управления, сцепление с сухой, мокрой и заснеженной дорогой. Эти различные свойства шин обычно определяются при различных температурах, частотах и деформациях. Варлей, Новотный, Грегори и другие исследовали преимущества использования значений динамических свойств для прогнозирования эксплуатационных характеристик резиновых автомобильных деталей, например, втулок, подложек, амортизаторов, виброизоляторов, насадок, изоляции и приводных ремней. Расчет способности передачи вынужденных колебаний резиновой деталью (отношение переданной силы к приложенной силе) рассмотрен Варлей и Новотным.
Определенные ингредиенты смеси сильно влияют на динамические свойства вулканизатов. Например, эластомеры с более высокой температурой стеклования (Тс) могут быть причиной большого гистерезиса резин на их основе. Добавление определенных пластификаторов в резиновую смесь может снизить Тс и повлиять на динамические свойства резины, уменьшив гистерезис. Тип и концентрация пластификатора являются важными факторами, определяющими динамические свойства вулканизатов. Удельный вес и количество вводимого в смесь технического углерода также сильно влияют на динамические характеристики. На динамические свойства резины могут повлиять тип поперечных связей и плотность сшивания.
Рассмотренные здесь динамические свойства обычно исследуются с помощью методов вынужденных колебаний с контролем амплитуды деформации. Метод определения динамических свойств с помощью вынужденной синусоидальной сдвиговой деформации подробно описан в ISO 4664. Изучить динамическое поведение резин можно также методами эластичности по отскоку и свободных колебаний. Как правило, если резина должна иметь низкий гистерезис, то она должна иметь и высокую эластичность по отскоку. Определенные методы испытания на эластичность по отскоку рассмотрены в ASTM D1054 (метод определения эластичности по отскоку с помощью маятника Гудьира-Хэли (Goodyear-Healey)), ASTM D2632 (метод падающего груза) и ISO 4662 (в котором описана конструкция прибора с маятниками Лупке (Lupke), Шоба (Schob) и Зербини (Zerbini)). Методы свободных колебаний приведены в ASTM D945 (осциллограф Yerzley) и ISO 4663, который включает три различных метода. Несмотря на то, что методы эластичности по отскоку и свободных колебаний обычно не рекомендуются в качестве технических данных, они проще в исполнении, чем методы вынужденных колебаний.
