橡膠密封件是密封技術(shù)中廣泛應用的一類制品,，因為橡膠材料具有優(yōu)異的粘彈性,，較寬的工作溫度范圍,，在較小的應力下就可以產(chǎn)生變形,、補償間隙，從而實現(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，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)計的時候，需要根據(jù)密封材料的應用場景,，綜合考慮溫度,、機械載荷（如靜態(tài)密封或動態(tài)密封、是否有摩擦）,、環(huán)境介質(zhì)（如有機溶劑,、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,，對材料進行改性，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,，對比或評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,。本文將以具體測試為例，介紹DMA在橡膠密封材料的應用,。

通過動態(tài)載荷下的溫度掃描測試,，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用的下限溫度。除了玻璃化轉(zhuǎn)變,，其他轉(zhuǎn)變可反應橡膠中不同添加組分的變化情況,。下圖是3個不同配方樣品的溫度掃描結(jié)果，測試采用拉伸模式,，樣品尺寸為2mm x 6mm x 16mm,，靜態(tài)應變1.0%，動態(tài)應變0.2%,，頻率10Hz,。

可以看出3#和4#的tand曲線主峰（對應玻璃化轉(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個樣品在玻璃化轉(zhuǎn)變前后各有一個轉(zhuǎn)變,，可能對應不同填料/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個樣品溫度各不相同,，4#居中，3#最高,。所以推測3#和4#基體一樣,，4#、5#其中一種添加劑相同（對應Tg前的轉(zhuǎn)變）,，Tg后的轉(zhuǎn)變可能由另外一種成分導致,，3個樣品添加的成分可能不同。

為了達到密封效果,，橡膠材料在工況下通常處于受壓狀態(tài),，填充在機械部件接合的部位。在機械部件間隙一定的情況下,，在時間和溫度的作用下,，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。下圖對比了室溫,、拉伸模式25%靜態(tài)應變下3個樣品的應力衰減過程,，樣品尺寸為2mm x 6mm x 6mm。

為了方便對比F/F0值的變化,，以時間為橫坐標,，以F/F0為縱坐標作圖如下，恒溫1小時后3個樣品的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。

對于靜態(tài)密封,，橡膠材料在工況下會承受一定的靜態(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，恢復的速度和程度與測試條件（包括載荷大小,、溫度,、作用時間等）及材料的彈性相關(guān)，尺寸不能恢復的部分為壓縮變形,。下圖為對比了3個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,，記錄尺寸恢復情況，直至尺寸基本不變化,。

3個樣品在2.3MPa應力的作用下,，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，說明這個配方彈性較差,，恢復性能不佳,。

為了保證動態(tài)載荷下的密封效果，振動時密封件和機械部件之間不應出現(xiàn)間隙,，這就要求密封材料彈性好,、內(nèi)耗小，具有快速的動態(tài)響應能力：加載時發(fā)生形變儲存能量,，卸載時及時恢復形變釋放能量,。如果材料的阻尼高，內(nèi)耗大，響應速度慢,，形變不能及時恢復,，就容易導致泄漏。材料的動態(tài)響應性能與溫度,、頻率,、形變量相關(guān)，需要結(jié)合工況進行評估,。下圖對比了2種配方的材料在不同應變下的彈性和內(nèi)耗,，測試采用壓縮模式，樣品尺寸Φ10mm x2mm,，頻率10Hz,，靜態(tài)應變25%,，動態(tài)應變掃描范圍0.01%-1.4%,。

動態(tài)應變小于0.1%時，2個樣品的損耗因子非常接近,，5#的模量略高,，應變大于0.1%時，隨著應變增大,，模量都呈下降趨勢,，5#樣品下降趨勢更快，2個樣品模量值的差異減小,，損耗因子都呈增大趨勢,，且5#樣品的增大趨勢明顯快于3#。說明在小應變下2個樣品的響應性能基本接近,，密封性能差別不大,，應變增大時3#樣品的響應性能優(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)合工況條件評估密封材料的松弛,、壓縮變形,、疲勞及動態(tài)響應性能等，有助于開發(fā)或選擇合適的密封材料,。

作者

王榮

耐馳儀器公司應用實驗室