ASTM D1056柔性多孔橡膠標準解讀及在北美屋頂單元機設計中的應用

王進良

（特靈科技亞太研發(fā)中心，江蘇 太倉 215400）

0 引言

ASTM D1056是美國材料與實驗協(xié)會針對柔性多孔橡膠編寫的標準，它對柔性多孔橡膠進行了詳細的分類，規(guī)定了各等級橡膠所對應的物理特性同時對各項試驗進行了詳細介紹。與之對應的國際標準為ISO 6916，我國使用的標準為GB/T 18944.1。

ASTM D1056 適用于柔性多孔橡膠產(chǎn)品如海綿橡膠和發(fā)泡橡膠，但不適用于乳膠泡沫橡膠或硬泡沫橡膠。柔性多孔橡膠根據(jù)孔結構分為開孔和閉孔，它們的基材可以由合成材料、天然橡膠、再生橡膠或混合物制成，并可能含有其他聚合物或化學品，或兼而有之，可由有機或無機添加劑進行改性而成。通常情況下，海綿橡膠為開孔，發(fā)泡橡膠為閉孔，這是由其制造工藝所決定的。在當今的北美屋頂單元機的設計制造過程中，為滿足不同環(huán)境和各種結構和制冷性能的柔性多孔橡膠[1-2]被廣泛應用，本文將對ASTM D1056中提及的內(nèi)容做一個基本的總結和解讀，并就如何在屋頂單元機中正確使用柔性多孔橡膠提出一些見解以供工程設計人員參考。

ASTM D1056從第一版開始至今已經(jīng)發(fā)展了50多年，有很多版本的迭代更新，最新版本為ASTM D056—2020，考慮到版本運用的廣泛性且最近版本的更新變化不大，本文所述規(guī)范全部采用較新且廣泛使用的ASTM D1056—2014進行討論。另外，ASTM還有一個和D1056非常類似的規(guī)范D1667，該規(guī)范額外附加了PVC閉孔泡棉的內(nèi)容，本文不作詳細討論。

1 柔性多孔橡膠分類

如圖1所示，柔性多孔橡膠的牌號通常是3位，由數(shù)字和字母的組成。第一位為數(shù)字，表示橡膠孔結構類型；第二位為字母，表示對石油基的相對耐油性和耐高溫要求；第三位為數(shù)字，基于特定的壓縮擾度范圍來表示柔性多孔橡膠的硬度，共分為6個等級。另外，牌號后面還可以加上由字母A～Z的后綴，以滿足不同產(chǎn)品的設計需求。

圖1 牌號舉例

1.1 柔性多孔橡膠類型

如表1所示，ASTM D1056柔性多孔橡膠根據(jù)孔結構分為兩類：1）開孔結構。是指橡膠由孔結構組成并一直延伸到橡膠表面，從視覺上看猶如海綿。2）閉孔結構。是指橡膠由孔結構組成但沒有延伸到橡膠表面層，視覺上看表面光滑，但是截面猶如海綿。

表1 柔性多孔橡膠類型

1.2 柔性多孔橡膠類別

如表2所示，類型1（開孔橡膠）和類型2（閉孔橡膠）分別又被分為A、B、C、D四種類別。在一些常用的柔性多孔橡膠材料中，三元乙丙橡膠或者丁苯橡膠屬于類別A；丁腈橡膠屬于類別B；氯丁橡膠屬于類別C；硅橡膠屬于類別D。將這些基材混合制造生產(chǎn)出來的新材料，也可以滿足不同類別所具有的屬性要求。

表2 柔性多孔橡膠類別

1.3 柔性多孔橡膠等級

每種柔性多孔橡膠的類型和類別又被分成以數(shù)字0～6為代表的6種等級，數(shù)字越小代表該等級的橡膠越軟。表3中壓縮數(shù)據(jù)是指壓縮材料厚度（1.5～3 mm）的25%后得到的數(shù)據(jù)，關于具體的柔性多孔橡膠樣本測試方法參見ASTM D412標準，此文不再詳述。

表3 柔性多孔橡膠等級

1.4 柔性多孔橡膠牌號的后綴

帶有后綴的牌號表示該柔性多孔橡膠除了滿足基礎性能外所能達到的額外測試結果的性能。其中一些后綴是代表通過了D1056標準所規(guī)定的測試設定；另外，還有較多的后綴是由采購商和供應商之間協(xié)商達成的測試設 定 ，而D1056 標準并沒有做出嚴格規(guī)定。后綴代表的含義如表4所示。

表4 柔性多孔橡膠牌號的后綴

以圖1所示牌號為例，后綴A1表示試件按照D1056標準的第16至第23章節(jié)的要求進行老化測試，條件設定為在100 ℃的溫度下保持22 h后，試件需要滿足壓縮撓度變化不大于30%；后綴F3表示試件在D1056標準的第57至第61章節(jié)要求，試件在-40 ℃條件下保溫5 h，然后在2～3 s內(nèi)180°彎曲試件，試件仍能保持柔韌且無開裂現(xiàn)象。

具體后綴測試要求這里不再詳述，參見D1056 TABLE 3 ASTM Test Methods。

2 測試

D1056標準描述了部分柔性多孔橡膠的測試內(nèi)容，主要包含了如下幾個測試項目：1）一般物理測試要求。詳細內(nèi)容參見ASTM D3182及D3183標準。2）老化測試。具體測試方法參見ASTM D573標準，和D573標準描述不同的更改部分參見D1056標準的第16至第23章節(jié)。3）壓縮形變。此測試針對牌號后綴B討論，具體測試方法參見D1056標準第50至第56章節(jié)。4）流體浸泡。此測試針對牌號后綴E討論，具體測試方法參見ASTM D471標準和D1056標準第24至第34章節(jié)。5）低溫測試。此測試針對牌號后綴F討論，具體測試方法參見D1056標準第57至第61章節(jié)。

本文主要目的是對標準的解讀和在北美屋頂單元機中的應用，故對具體測試內(nèi)容不再詳述。

3 北美屋頂單元機簡介

屋頂單元機在北美市場應用非常廣泛，大量應用于學校、商場、制造工廠、餐館等。根據(jù)需求，制冷量跨度也非常大，例如筆者就職的特靈公司，屋頂單元機制冷量跨度范圍為10.6～570 kW。同時，北美市場的空調系統(tǒng)在冬季除了采用熱泵制熱，還大量采用燃氣加熱和電加熱的解決方案。圖2為典型小噸位屋頂單元機，根據(jù)模塊功能不同，現(xiàn)將其分成A、B和C三個區(qū)域：1）區(qū)域A。區(qū)域A為屋頂單元機的回風通道所在位置，回風通道通常布置在蒸發(fā)器下部或者背面，以滿足不同客戶需求。該區(qū)域的左側端面也可安裝新風系統(tǒng)（圖2未安裝新風系統(tǒng)）。2）區(qū)域B。區(qū)域B為屋頂單元機送風通道所在位置，同樣送風通道可位于底部或者背面。該區(qū)域的上部為送風風機，中間為燃氣選項或者電加熱選項位置。區(qū)域A+B通常叫做屋頂單元機的室內(nèi)側。3）區(qū)域C。區(qū)域C為壓縮機、冷凝器、管路、冷凝風機、控制盒等模塊和元器件的位置，這個位置通常叫做屋頂單元機的室外側。

圖2 北美屋頂單元機

4 柔性多孔橡膠在屋頂單元機中的應用

柔性多孔橡膠的主要應用為減震和密封，參考本文中關于柔性多孔橡膠分類中所列出的類型、類別、等級和后綴所述內(nèi)容。為了給設計工程師提供更直觀的參考，現(xiàn)列舉幾個常用柔性多孔橡膠材料在屋頂單元機中的應用。

4.1 三元乙丙橡膠

三元乙丙橡膠[3]屬于類別A，不耐油，故不推薦任何與油脂、汽油和碳氫化合物溶劑接觸的應用。但是除此之外，三元乙丙橡膠擁有杰出的耐臭氧性、耐候性和耐老化性，所以特別適合在室外屋頂單元機上使用，不僅如此，三元乙丙橡膠的耐水性、耐酸堿性、耐氧化溶劑性和在低溫條件下的柔韌性也異常出色。最后，三元乙丙橡膠對冷熱水、乙二醇、蒸汽的耐受性和電絕緣性能也極其優(yōu)良。從以上的性能介紹可以看出，三元乙丙橡膠幾乎可以適用于屋頂單元機A/B/C任意區(qū)域的密封和減震，工程師選型只需要避開潛在油脂類污染區(qū)域，從成本角度考量后，在非關鍵區(qū)域使用成本較低的其它柔性多孔橡膠。

4.2 丁腈橡膠

丁腈橡膠屬于類別B。丁腈類化合物具有非常好的耐油性、滲透性、耐熱性和耐磨性。化合物配方中使用的丁腈比例越高，則耐堿、耐酸的性能越好。丁腈橡膠必須經(jīng)過添加抗氧化劑等成分的特殊復合，才能抵抗臭氧、陽光和自然老化，并且對含氧溶劑的抵抗力較差。丁腈橡膠在耐油性和耐溶劑性方面優(yōu)于氯丁橡膠，但不建議在暴露于惡劣風化的情況下應用。因此，在屋頂單元機的設計中，工程人員應該盡量避免丁腈橡膠用于機器外部的密封、振動及區(qū)域C中使用，如果在B區(qū)域使用，如果靠近溫度較高的燃氣或者電加熱模塊，也要考慮特定供應商制造的丁腈橡膠的極限耐高溫是否滿足設計需求。

4.3 丁腈聚氯乙烯混合

丁腈橡膠和PVC的結合增加了著色能力，提高了耐磨性和抗撕裂性，降低了氣體滲透性。此時的丁腈橡膠和聚氯乙烯化合物獲得了額外的抗臭氧和抗紫外線能力，PVC的加入也增加了柔韌性，但耐候性還是較差。故可將丁腈橡膠/聚氯乙烯看作丁腈橡膠的升級產(chǎn)品，在屋頂單元機中的應用范圍比單丁腈橡膠更廣，例如，因其具有更好的耐磨性，所以可在經(jīng)常需要拆卸的密封門板間廣泛應用。但不建議將丁腈橡膠/聚氯乙烯用于需要阻燃性的模塊應用，例如燃氣和電加熱模塊、電控箱等位置。

4.4 氯丁橡膠

氯丁橡膠是一種出色的多用途彈性體，屬于類別C，其綜合性能較為均衡，具有良好的抗沖擊和抗撕裂性，對油脂具有適度的耐受性，還有良好的阻燃性。并且這種材料也具有良好的耐候性、非常好的耐磨性、抗撓曲開裂、耐堿性和耐酸性好。然而，氯丁橡膠對芳香族和含氧溶劑的耐受性較差，它在低溫下的柔韌性有限，并且在壓縮形變方面存在局限性，其在屋頂單元機中的應用不是很多，帶有新風系統(tǒng)區(qū)域A和室外側區(qū)域C，其性能容易受到低溫影響。所以在屋頂單元機的應用中，室內(nèi)側區(qū)域B中會適量應用，但是考慮其耐高溫性并不是特別突出，所以建議盡量遠離燃氣和電加熱模塊。

4.5 硅橡膠

硅橡膠屬于類別D，其性能出類拔萃，集以上介紹各種橡膠的優(yōu)點于一身并且很多參數(shù)大幅超越，還可根據(jù)特殊需求把透明度做得很高。考慮到其價格昂貴，在北美屋頂單元機中幾乎沒有應用，故此不作詳細介紹。

4.6 類型應用偏好

由1.1節(jié)可知，柔性多孔橡膠類型有開孔和閉孔之分，在屋頂單元機的應用主要注意以下幾點：1）吸水率考量。一般情況下，開孔柔性多孔橡膠吸水率大大高于閉孔柔性多孔橡膠，如果工作環(huán)境中經(jīng)常會有水出現(xiàn)，將導致柔性多孔橡膠一直處于吸水飽和后的膨脹狀態(tài)，長時間后會導致橡膠物理性能下降，影響密封。因此，對于在有雨水浸泡影響的機器外表面零件之間的密封，建議使用閉孔柔性多孔橡膠。另外，在屋頂單元機的區(qū)域C，由于蒸發(fā)器制冷產(chǎn)生大量冷凝水，因此在此區(qū)域通常使用閉孔柔性多孔橡膠。2）氣體滲透率考量。開孔柔性多孔橡膠一般具有更好的氣體滲透能力，所以在選型作為隔絕一氧化碳、一氧化氮等有害氣體的密封功能時，通常使用閉孔柔性多孔橡膠，例如區(qū)域B的燃氣模塊。3）成本或其它因素考量。