一种基于失效物理的丁腈橡胶加速试验机理一致性方法

摘要

一种基于失效物理的丁腈橡胶加速试验机理一致性方法，其步骤如下：一、进行丁腈橡胶的热氧老化实验；二、对老化试样进行压缩应力松弛测试、红外光谱测试和热分析测试；三、对老化试样进行压缩应力松弛、红外光谱和热分析测试结果进行分析；四、利用分析结果来验证加速试验中丁腈橡胶失效机理一致性；本发明利用应力松弛测试、红外光谱测试和热分析测试的相关实验数据相结合来分析和验证加速试验中丁腈橡胶失效机理一致性，解决了如何在加速试验设计中判别是否因加速应力过高而导致退化机理发生突变的情况等问题，保证加速试验过程的失效机理一致性，对以后丁腈橡胶加速试样的设计和保证试验数据的有效性方面有着很大的实际意义。

主权项

一种基于失效物理的丁腈橡胶加速试验机理一致性方法，其特征在于：其实施步骤如下：步骤一、进行丁腈橡胶的热氧老化实验首先对丁腈橡胶试样进行热氧加速老化试验，实验用压缩应力松弛测试装置是按照国标GB1685‑1982自主设计并用来施加恒定应力，实验用的恒温箱为电热鼓风干燥箱，温度控制精度±0.1℃；参照国标GB3512‑2001《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》设计加速试验，并按照国标GB/T9865.1‑1996《硫化橡胶或热塑性橡胶样品和试样的制备》制备老化试验试样，将制备好的橡胶试样放置在电热鼓风干燥箱中，进行不同温度条件和老化时间的加速老化试验；按照国标GB1685‑1982《硫化橡胶在常温和高温下压缩应力松弛的测定》中的松弛仪测试压缩应力，设定压缩率为20％；试验温度的选择需符合国标GB/T2941‑2006，本发明最终确定温度应力的分别为70℃、80℃、90℃和100℃作为丁腈橡胶加速试验温度点试验周期为60d；步骤二、对老化试样进行压缩应力松弛测试、傅里叶变换红外光谱即FTIR测试和热分析测试将装有橡胶试样的压缩应力松弛测试装置放置在恒温干燥箱中，调试试验箱的温度分别至70℃、80℃、90℃和100℃，然后记录下不同老化时间的压缩应力值；在老化试验初期，应力值变化快，因此每小时记录一次数据，试验后期，应力变化慢，隔天记录一次数据，直至达到老化试验周期60d，结束试验；对步骤一中不同温度条件下热氧加速老化后的老化试样分别进行红外光谱测试和热分析测试，FTIR采用美国的Nicolet iN10MX显微红外光谱仪扫描范围为4000cm^‑1‑400cm^‑1，标准分辨率为0.4cm^‑1；由于采用了低温冷却系统，能测量10μm的试样；本试验采用德国的STA449F3型同步热分析仪，采用Al₂O₃坩埚在高纯氩气气氛中，测试不同温度条件下，老化不同时间橡胶试样的热重曲线即TGA和差热分析曲线即DSC，升温速率为10℃/min，测试温度为室温‑600℃；通过压缩应力松弛装置得到应力随时间和温度变化的应力松弛曲线，通过FTIR和热分析的测试得到不同老化条件下的丁腈橡胶的微观结构图谱和热重与差热信息；步骤三、对老化试样进行压缩应力松弛、红外光谱和热分析测试结果进行分析从不同温度条件下压缩应力松弛变化曲线发现丁腈橡胶试样发生热氧老化时，压缩应力松弛随老化时间的延长持续下降，老化温度越高，压缩应力松弛越快；70℃和80℃加速条件下得到的压缩应力松弛曲线变化趋势较为一致，至老化60d时，压缩应力松弛系数较初始状态分别下降了约42.5％和52.6％；90℃和100℃加速条件下，压缩应力松弛曲线的变化趋势较为相似，至老化40d时，压缩应力松弛系数较初始状态分别下降了约59.2％和61.7％，但与70℃和80℃加速条件下的压缩应力松弛曲线变化有一定的差别；首先，90℃和100℃加速条件下，压缩应力松弛系数下降速率较70℃和80℃同等条件下快；从自然老化和加速老化试样的红外光谱能知，在100℃加速试验条件下，随着老化时间的延长，吸收峰强度呈下降趋势，强度下降的速率较90℃稍有增大，说明在100℃加速老化过程中，亚甲基在热作用下参加了反应，并且反应速率随温度的增加稍有增加，而在自然老化条件下贮存9年仍未发生变化；与70℃、80℃和90℃加速条件相比，100℃条件下的C＝O反应发生了变化，主链断裂并与氧气发生了新的反应，生成了新的产物，而在自然老化条件下第4年开始吸收强度处于稳定状态，直至第8年稍有减弱；波数1593cm^‑1附近的特征峰是‑C＝C‑的伸缩吸收峰，在加热条件下，随着老化时间的延长迅速减小，并且在老化初期减小迅速，老化后期逐渐减慢，老化60d后基本消失，而在贮存条件下2年后其特征峰消失；其它丁腈橡胶的特征峰在加速老化和自然老化条件下均未发生变化；从自然老化和加速老化试样的同步热分析能知贮存4年和9年试样整个加热过程中的总失重率分较未老化试样稍有降低，DTG曲线能看出，最大裂解速率温度相差不大；从70℃、80℃和90℃条件下加速30天老化试样TGA曲线能看出，整个加热过程中，试样的总失重率较未老化试样分别降低了14.02％、16.02％和18.27％；从100℃条件下加速3d老化试样TGA曲线能看出，整个加热过程中，试样的总失重率较未老化试样降低了16.51％；步骤四、利用分析结果来验证加速试验中丁腈橡胶失效机理一致性从不同温度条件下，丁腈橡胶压缩应力松弛的变化分析结果能看到，70℃条件下，丁腈橡胶试样的应力松弛以物理松弛为主；80℃以上时，橡胶应力松弛以化学松弛为主，并且80℃条件下导致应力松弛的氧化反应类型与90℃、100℃条件下不同；90℃与100℃条件下的化学反应类型相同；从不同老化试样的红外光谱分析结果能看到，贮存条件下，丁腈橡胶试样的老化反应类型与70℃和80℃低温加速条件下相同；90℃和100℃高温加速条件下，丁腈橡胶的热氧老化反应类型相同，都属于断链氧化反应；低温加速和高温加速条件下，丁腈橡胶发生的氧化反应类型有所区别；从不同试样的同步热分析结果能看到，自然贮存条件下，试样的交联键能没有明显的变化，丁腈橡胶的老化以物理老化和自由基氧化反应为主；70℃和80℃低温加速条件下，丁腈橡胶的老化类型与自然贮存条件下相似，但热降解反应不同，老化速率高于自然贮存条件；90℃和100℃高温加速条件下，丁腈橡胶以断链氧化反应为主，老化速率随加速温度的升高而增加；通过以上步骤，我们能利用应力松弛测试、红外光谱测试和热分析测试的相关实验数据相结合来分析和验证加速试验中丁腈橡胶失效机理一致性，解决了如何在加速试验设计中判别是否因加速应力过高而导致退化机理发生突变的情况等的实际问题，有利于掌握失效机理的加速幅度与加速应力之间的关系以及相应加速应力条件下产品的预期失效机理，保证加速试验过程的失效机理一致性。