橡胶密封材料老化分析

焦亮 孙思杰 郭文芳 王海峰

摘要：本文将围绕，橡胶密封材料老化进行分析讨论，以此提高材料的应用效率，避免材料过度老化导致产品报废，从而为相关企业带来巨大的经济损失。帮助使用人员更准确的把握材料的力学性能与老化机理。

关键词：老化表征;使用寿命;橡胶密封材料

引言：通常来说，橡胶密封材料会长时间暴露在空气、水以及热环境当中，难以避免的会造成材料性能上的损耗，并逐渐发生老化现象，最终使材料的密封性能失去效果，为了延长橡胶密封材料的使用寿命，充分发挥橡胶密封材料的实际作用，首先要对老化机理及行为进行深入了解。

一、老化机理与行为

根据实际调查可知，热环境是导致橡胶密封材料老化的最主要因素。橡胶发生热氧化的本质属于分子链的断裂，属于催化氧化机理，并且不同类型的橡胶所发生的老化反应也具有一定程度的差异性，比如NBR，其内部丁二烯包含不饱和双键，在发生老化时，主要以氧化交联为主。通过将其放在温度不同的环境中进行测试可知，造成NBR性能衰减的最主要原因为交联反应。当进入到老化后期时，结构会产生突变，断链逐渐占优，二者的竞争反应最终导致橡胶失去弹性，并在热空气环境下产生应力回升的情况。除此之外，橡胶本身的热稳定性还会受到添加剂、分子链结构等影响。比如向橡胶中加入抗氧剂能够明显提升材料的稳定性，并获得良好的保护效果，能够使材料在发生老化时保持一定的拉伸强度[1]。

二、应力、介质对老化的影响

橡胶密封材料通常在使用过程中会与润滑油、水等介质发生接触，并时刻处于受力状态，因此为了更准确的把握材料的老化过程，还需要考虑到应力与介质对其产生的影响，当材料本身受到应力作用时，橡胶分子会发生取向，并且反应活化能力逐渐减少，由此证明应力对橡胶材料的热氧老化反应具有一定的催化作用，但应力本身却并未改变橡胶密封材料的老化机理，老化过程仍然以分子链交联作为主导反应。介质对老化的影响分析可通过将橡胶密封材料放置在介质当中，并给予一定的热与空气环境因素，之后与无介质浸泡进行分析比对。首先需要了解介质的影响方面，以油介质为例，在溶胀作用下，油会造成橡胶强度体积与质量上的变化，橡胶中的添加剂会进一步被油介质分离出来，从而导致稳定性的下降。并且油介质包含许多积压添加剂能够对橡胶性能造成性能上的变化。其次要进行相关实验，通过将橡胶密封材料浸泡在液压油当中观察老化行为的变化状况，可发现橡胶的氧化层明显加厚，裂纹与无介质浸泡时相比明显增多。同时可发现在油脂中浸泡的橡胶老化程度相较于无浸泡材料老化相对偏低。最后还要进行材料在不同介质下的老化性能检测，比如强酸强碱、润滑油等，最终可得出以下结论：润滑油虽然在一定程度上能够降低橡胶材料的摩擦系数，但也会使其质地变得更加柔软，磨损量进一步提高，使材料的耐磨性逐渐下降。而强酸介质会对橡胶造成强烈的腐蚀作用，比油介质造成的破坏更高[2]。

三、使用寿命评估方法

当材料出现老化时化学应力会变得更加松弛，在出现自动收缩的同时，也会造成接触应力的降低，以此导致橡胶密封材料密封性能的逐渐丧失，通常来讲，需要将压缩变形量以及断裂伸长率作为材料的使用寿命评价指标，并将性能下降至40%与80%作为临界指标。经过对橡胶密封材料的性能实验结果进行分析可知，不同评价指标所取得的使用寿命数值具有一定的差异性，因此为了确保材料的寿命评估准确、科学，需要采用加速热氧老化实验对其进行分析。在实验过程中需要注意合理把控老化温度，避免机理上的改变，并从材料的老化速率、温度依赖性、热氧化降解等多个层面进行判断。本文将以当前使用频率最高的ARR方法以及DAKIN方法进行分析讨论，其中ARR方法的原理在于在高温度下材料加速老化所发生的性能参数进行测定，并使用ARR公式完成使用寿命的预测。该加速老化试验的数据结果基本与自然老化的信息保持一致。但存在化学反应竞争过于激烈的缺陷，同时扩散控制以及氧化反应经常会使材料的活化性能过度产生温度依赖性，因此该方法只适用于大多数条件下。DAKIN方法则是要求每次进行加速老化时，都要保证温度达到临界值，通过将橡胶放置于不同温度的不同介质当中进行试验可知，其寿命预测结果同样与自然老化信息基本一致，能够准确的发现材料老化性能的具体变化趋势。但该方法也存在试验周期过长，容易受介质膨胀的影响，导致寿命预测与自然老化的实际数值存在一定的偏差，由此可知，完成橡胶密封材料的使用寿命评估与预测，仍然是当前材料老化研究的重要课题。

四、老化表征方法

在發生橡胶密封材料老化时会伴随一系列的物理变化与化学变化，因此材料结构上的表征方法都可用作橡胶老化的标准，且每种方法所呈现的信息都需要经过全面的分析，才能保证老化表征的完整性。当前最常用的表征方法可分为：力学性能测试，该方法的测试内容主要包括拉断伸长率、永久变形以及拉伸强度，但需要注意的是标准试样的力学性能难以准确呈现材料的真实老化状态，并且密封材料的不同部位老化状态在差异性温度与应力作用下会产生一定的误差，因此需要实验人员将老化的不均匀性考虑到位;表面形貌观测法，该方法大多需要借助电子显微镜来完成材料性能的观察以及结构上的探究，比如AFM显微镜既能够完成材料形貌上的准确观察，还能借助相位模式完成模量变化以及空间分布的掌握;化学结构分析法，该方法的优势在于测定简单，观测方便，但容易受材料的不溶特性影响，即使采用ATR红外光谱完成橡胶表面的测定，但仍会受橡胶本身老化程度的不统一性，导致表征判断不够准确，因此需要使用红外显微镜进行有效配合，确保化学组成的空间分布得到准确掌握。

结论：综上所述，通过对橡胶密封材料老化机理与行为、应力介质对老化的影响、使用寿命评估方法以及表化特征方法进行分析讨论，以此确保橡胶密封材料的高效运用，帮助使用人员更准确的预测材料的实际寿命，在提升橡胶密封材料结构强度、性能稳定性的同时，实现相关企业经济效益的增长。

参考文献：

[1]董峰，沈明学，彭旭东.乏油环境下橡胶密封材料在粗糙表面上的摩擦磨损行为研究[J].摩擦学学报，2019，36（06）：687-694.

[2]蔡锦安，刘志健，袁嘉伟.固相微萃取/气相色谱-质谱联用法测定橡胶密封材料中N-亚硝胺[J].分析测试学报，2019，35（02）：245-248.