橡膠密封件是密封技術(shù)中廣泛應(yīng)用的一類制品,，因?yàn)橄鹉z材料具有優(yōu)異的粘彈性,，較寬的工作溫度范圍,，在較小的應(yīng)力下就可以產(chǎn)生變形,、補(bǔ)償間隙,，從而實(shí)現(xiàn)良好的密封效果,。

常見的橡膠密封材料有丁腈橡膠、硅橡膠,、氟橡膠,、三元乙丙橡膠等，每種材料的性能都各有優(yōu)缺點(diǎn),，如丁腈橡膠耐油,，但不耐酮、酯等介質(zhì),，硅橡膠耐溫性能好,，但不耐油。在選材和設(shè)計(jì)的時(shí)候,，需要根據(jù)密封材料的應(yīng)用場(chǎng)景,，綜合考慮溫度、機(jī)械載荷（如靜態(tài)密封或動(dòng)態(tài)密封,、是否有摩擦）,、環(huán)境介質(zhì)（如有機(jī)溶劑、臭氧等）等多方面的因素,。而且,，很多情況下需要根據(jù)不同的性能要求，對(duì)材料進(jìn)行改性,，因此每種橡膠可能有多種不同配方,。

利用DMA可以分析橡膠材料的配方，對(duì)比或評(píng)估不同密封材料在一定載荷狀態(tài)下的性能,，包括粘彈性能,、疲勞性能、松弛性能,、壓縮變形等，這對(duì)開發(fā)或選擇合適的材料有重要的參考意義,。本文將以具體測(cè)試為例,，介紹DMA在橡膠密封材料的應(yīng)用。

通過動(dòng)態(tài)載荷下的溫度掃描測(cè)試,，可以得到橡膠材料的特征轉(zhuǎn)變溫度,，其中玻璃化轉(zhuǎn)變是最主要的轉(zhuǎn)變,，在玻璃化溫度以下，橡膠處于玻璃態(tài),，彈性差,，密封效果不好，所以玻璃化溫度是橡膠材料應(yīng)用的下限溫度,。除了玻璃化轉(zhuǎn)變,，其他轉(zhuǎn)變可反應(yīng)橡膠中不同添加組分的變化情況。下圖是3個(gè)不同配方樣品的溫度掃描結(jié)果,，測(cè)試采用拉伸模式,，樣品尺寸為2mm x 6mm x 16mm，靜態(tài)應(yīng)變1.0%,，動(dòng)態(tài)應(yīng)變0.2%,，頻率10Hz。

可以看出3#和4#的tand曲線主峰（對(duì)應(yīng)玻璃化轉(zhuǎn)變）峰值溫度基本一致（約-14℃）,，5#的tand峰值溫度略低（約-16℃）,，玻璃化溫度以下3#樣品模量最高，5#zui低,；3個(gè)樣品在玻璃化轉(zhuǎn)變前后各有一個(gè)轉(zhuǎn)變,，可能對(duì)應(yīng)不同填料/添加劑，4#和5#玻璃化轉(zhuǎn)變前的小峰溫度相同,，3#略低,；玻璃化轉(zhuǎn)變后的小峰3個(gè)樣品溫度各不相同，4#居中,，3#最高,。所以推測(cè)3#和4#基體一樣，4#,、5#其中一種添加劑相同（對(duì)應(yīng)Tg前的轉(zhuǎn)變）,，Tg后的轉(zhuǎn)變可能由另外一種成分導(dǎo)致，3個(gè)樣品添加的成分可能不同,。

為了達(dá)到密封效果,，橡膠材料在工況下通常處于受壓狀態(tài)，填充在機(jī)械部件接合的部位,。在機(jī)械部件間隙一定的情況下,，在時(shí)間和溫度的作用下，分子鏈在一定程度上重新排列或發(fā)生斷裂,，導(dǎo)致維持同一形變量所需要的力（F）逐漸減小,，與初始值F0相比，F(xiàn)值越小,，泄漏的可能性越大,。下圖對(duì)比了室溫,、拉伸模式25%靜態(tài)應(yīng)變下3個(gè)樣品的應(yīng)力衰減過程，樣品尺寸為2mm x 6mm x 6mm,。

為了方便對(duì)比F/F0值的變化,，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以F/F0為縱坐標(biāo)作圖如下,，恒溫1小時(shí)后3個(gè)樣品的F/F0值由大到小分別為3#（0.603）,、5#（0.585）和4#（0.553），說明4#樣品在此條件下發(fā)生泄漏的可能性最大,。

對(duì)于靜態(tài)密封,，橡膠材料在工況下會(huì)承受一定的靜態(tài)載荷，材料在載荷的作用下發(fā)生蠕變,，隨著時(shí)間延長,，形變量逐漸增大并趨于穩(wěn)定。撤銷載荷后尺寸逐漸恢復(fù),，恢復(fù)的速度和程度與測(cè)試條件（包括載荷大小,、溫度、作用時(shí)間等）及材料的彈性相關(guān),，尺寸不能恢復(fù)的部分為壓縮變形,。下圖為對(duì)比了3個(gè)樣品室溫下的壓縮變形結(jié)果，樣品尺寸Φ13mm x 6.5mm,，蠕變過程的靜態(tài)載荷為2.3MPa,，載荷維持30min后卸載，記錄尺寸恢復(fù)情況,，直至尺寸基本不變化,。

3個(gè)樣品在2.3MPa應(yīng)力的作用下，形變量都在25%左右,，卸載后的形變量由小到大分別為3#（3.16%）,、5#（3.65%）和4#（4.32%），4#樣品形變量最大,，說明這個(gè)配方彈性較差,，恢復(fù)性能不佳。

為了保證動(dòng)態(tài)載荷下的密封效果,，振動(dòng)時(shí)密封件和機(jī)械部件之間不應(yīng)出現(xiàn)間隙,，這就要求密封材料彈性好、內(nèi)耗小,，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力：加載時(shí)發(fā)生形變儲(chǔ)存能量,，卸載時(shí)及時(shí)恢復(fù)形變釋放能量。如果材料的阻尼高,，內(nèi)耗大,，響應(yīng)速度慢，形變不能及時(shí)恢復(fù),，就容易導(dǎo)致泄漏,。材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能與溫度、頻率,、形變量相關(guān),，需要結(jié)合工況進(jìn)行評(píng)估。下圖對(duì)比了2種配方的材料在不同應(yīng)變下的彈性和內(nèi)耗,，測(cè)試采用壓縮模式,，樣品尺寸Φ10mm x2mm，頻率10Hz,，靜態(tài)應(yīng)變25%,，動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描范圍0.01%-1.4%。

動(dòng)態(tài)應(yīng)變小于0.1%時(shí),，2個(gè)樣品的損耗因子非常接近,，5#的模量略高，應(yīng)變大于0.1%時(shí),，隨著應(yīng)變?cè)龃?，模量都呈下降趨?shì)，5#樣品下降趨勢(shì)更快,，2個(gè)樣品模量值的差異減小,，損耗因子都呈增大趨勢(shì)，且5#樣品的增大趨勢(shì)明顯快于3#,。說明在小應(yīng)變下2個(gè)樣品的響應(yīng)性能基本接近,，密封性能差別不大，應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)3#樣品的響應(yīng)性能優(yōu)于5#,，更不容易泄漏,。

綜上，利用DMA可以分析橡膠材料的配方,，結(jié)合工況條件評(píng)估密封材料的松弛,、壓縮變形、疲勞及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能等,，有助于開發(fā)或選擇合適的密封材料,。

作者

王榮

耐馳儀器公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室