橡膠密封材料老化分析

焦亮 孫思杰 郭文芳 王海峰

摘要：本文將圍繞，橡膠密封材料老化進行分析討論，以此提高材料的應用效率，避免材料過度老化導致產品報廢，從而為相關企業帶來巨大的經濟損失。幫助使用人員更準確的把握材料的力學性能與老化機理。

關鍵詞：老化表征;使用壽命;橡膠密封材料

引言：通常來說，橡膠密封材料會長時間暴露在空氣、水以及熱環境當中，難以避免的會造成材料性能上的損耗，并逐漸發生老化現象，最終使材料的密封性能失去效果，為了延長橡膠密封材料的使用壽命，充分發揮橡膠密封材料的實際作用，首先要對老化機理及行為進行深入了解。

一、老化機理與行為

根據實際調查可知，熱環境是導致橡膠密封材料老化的最主要因素。橡膠發生熱氧化的本質屬于分子鏈的斷裂，屬于催化氧化機理，并且不同類型的橡膠所發生的老化反應也具有一定程度的差異性，比如NBR，其內部丁二烯包含不飽和雙鍵，在發生老化時，主要以氧化交聯為主。通過將其放在溫度不同的環境中進行測試可知，造成NBR性能衰減的最主要原因為交聯反應。當進入到老化后期時，結構會產生突變，斷鏈逐漸占優，二者的競爭反應最終導致橡膠失去彈性，并在熱空氣環境下產生應力回升的情況。除此之外，橡膠本身的熱穩定性還會受到添加劑、分子鏈結構等影響。比如向橡膠中加入抗氧劑能夠明顯提升材料的穩定性，并獲得良好的保護效果，能夠使材料在發生老化時保持一定的拉伸強度[1]。

二、應力、介質對老化的影響

橡膠密封材料通常在使用過程中會與潤滑油、水等介質發生接觸，并時刻處于受力狀態，因此為了更準確的把握材料的老化過程，還需要考慮到應力與介質對其產生的影響，當材料本身受到應力作用時，橡膠分子會發生取向，并且反應活化能力逐漸減少，由此證明應力對橡膠材料的熱氧老化反應具有一定的催化作用，但應力本身卻并未改變橡膠密封材料的老化機理，老化過程仍然以分子鏈交聯作為主導反應。介質對老化的影響分析可通過將橡膠密封材料放置在介質當中，并給予一定的熱與空氣環境因素，之后與無介質浸泡進行分析比對。首先需要了解介質的影響方面，以油介質為例，在溶脹作用下，油會造成橡膠強度體積與質量上的變化，橡膠中的添加劑會進一步被油介質分離出來，從而導致穩定性的下降。并且油介質包含許多積壓添加劑能夠對橡膠性能造成性能上的變化。其次要進行相關實驗，通過將橡膠密封材料浸泡在液壓油當中觀察老化行為的變化狀況，可發現橡膠的氧化層明顯加厚，裂紋與無介質浸泡時相比明顯增多。同時可發現在油脂中浸泡的橡膠老化程度相較于無浸泡材料老化相對偏低。最后還要進行材料在不同介質下的老化性能檢測，比如強酸強堿、潤滑油等，最終可得出以下結論：潤滑油雖然在一定程度上能夠降低橡膠材料的摩擦系數，但也會使其質地變得更加柔軟，磨損量進一步提高，使材料的耐磨性逐漸下降。而強酸介質會對橡膠造成強烈的腐蝕作用，比油介質造成的破壞更高[2]。

三、使用壽命評估方法

當材料出現老化時化學應力會變得更加松弛，在出現自動收縮的同時，也會造成接觸應力的降低，以此導致橡膠密封材料密封性能的逐漸喪失，通常來講，需要將壓縮變形量以及斷裂伸長率作為材料的使用壽命評價指標，并將性能下降至40%與80%作為臨界指標。經過對橡膠密封材料的性能實驗結果進行分析可知，不同評價指標所取得的使用壽命數值具有一定的差異性，因此為了確保材料的壽命評估準確、科學，需要采用加速熱氧老化實驗對其進行分析。在實驗過程中需要注意合理把控老化溫度，避免機理上的改變，并從材料的老化速率、溫度依賴性、熱氧化降解等多個層面進行判斷。本文將以當前使用頻率最高的ARR方法以及DAKIN方法進行分析討論，其中ARR方法的原理在于在高溫度下材料加速老化所發生的性能參數進行測定，并使用ARR公式完成使用壽命的預測。該加速老化試驗的數據結果基本與自然老化的信息保持一致。但存在化學反應競爭過于激烈的缺陷，同時擴散控制以及氧化反應經常會使材料的活化性能過度產生溫度依賴性，因此該方法只適用于大多數條件下。DAKIN方法則是要求每次進行加速老化時，都要保證溫度達到臨界值，通過將橡膠放置于不同溫度的不同介質當中進行試驗可知，其壽命預測結果同樣與自然老化信息基本一致，能夠準確的發現材料老化性能的具體變化趨勢。但該方法也存在試驗周期過長，容易受介質膨脹的影響，導致壽命預測與自然老化的實際數值存在一定的偏差，由此可知，完成橡膠密封材料的使用壽命評估與預測，仍然是當前材料老化研究的重要課題。

四、老化表征方法

在發生橡膠密封材料老化時會伴隨一系列的物理變化與化學變化，因此材料結構上的表征方法都可用作橡膠老化的標準，且每種方法所呈現的信息都需要經過全面的分析，才能保證老化表征的完整性。當前最常用的表征方法可分為：力學性能測試，該方法的測試內容主要包括拉斷伸長率、永久變形以及拉伸強度，但需要注意的是標準試樣的力學性能難以準確呈現材料的真實老化狀態，并且密封材料的不同部位老化狀態在差異性溫度與應力作用下會產生一定的誤差，因此需要實驗人員將老化的不均勻性考慮到位;表面形貌觀測法，該方法大多需要借助電子顯微鏡來完成材料性能的觀察以及結構上的探究，比如AFM顯微鏡既能夠完成材料形貌上的準確觀察，還能借助相位模式完成模量變化以及空間分布的掌握;化學結構分析法，該方法的優勢在于測定簡單，觀測方便，但容易受材料的不溶特性影響，即使采用ATR紅外光譜完成橡膠表面的測定，但仍會受橡膠本身老化程度的不統一性，導致表征判斷不夠準確，因此需要使用紅外顯微鏡進行有效配合，確保化學組成的空間分布得到準確掌握。

結論：綜上所述，通過對橡膠密封材料老化機理與行為、應力介質對老化的影響、使用壽命評估方法以及表化特征方法進行分析討論，以此確保橡膠密封材料的高效運用，幫助使用人員更準確的預測材料的實際壽命，在提升橡膠密封材料結構強度、性能穩定性的同時，實現相關企業經濟效益的增長。

參考文獻：

[1]董峰，沈明學，彭旭東.乏油環境下橡膠密封材料在粗糙表面上的摩擦磨損行為研究[J].摩擦學學報，2019，36（06）：687-694.

[2]蔡錦安，劉志健，袁嘉偉.固相微萃取/氣相色譜-質譜聯用法測定橡膠密封材料中N-亞硝胺[J].分析測試學報，2019，35（02）：245-248.