韓繼先，李文陽，于慧敏，應(yīng) 杰

(1沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，沈陽，110144;2駐一一七廠軍事代表室，沈陽，110144)

1 引言

從天然橡膠的發(fā)現(xiàn)，到各種合成橡膠的相繼研發(fā)，同時(shí)伴著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，橡膠在國民經(jīng)濟(jì)各部門中的應(yīng)用日趨廣泛，在現(xiàn)代飛行器中已是一種不可或缺的非金屬材料。為了解橡膠的性能和控制橡膠的質(zhì)量，各種檢測方法和設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，各行業(yè)對(duì)檢測結(jié)果普遍提高了認(rèn)識(shí)，特別是在軍工企業(yè)，質(zhì)量更是重中之重，檢測結(jié)果也就尤為重要。

硫化橡膠的拉伸性能是橡膠力學(xué)性能中的一個(gè)重要項(xiàng)目，也是鑒定橡膠制品硫化性能的有效方法之一。本文對(duì)在拉伸試驗(yàn)檢測過程中容易造成試驗(yàn)結(jié)果誤差的問題進(jìn)行了分析探討。

2 原理

在動(dòng)夾持器或滑輪恒速移動(dòng)的拉力試驗(yàn)機(jī)上，將啞鈴狀或環(huán)狀標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸。按要求記錄其在不斷拉伸過程中及其斷裂時(shí)所需的力和伸長率的值。標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀拉伸試樣見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀拉伸試樣

3 影響因素

影響橡膠拉伸性能試驗(yàn)的因素很多，總的可分為兩個(gè)方面:一是工藝過程的影響，例如混煉工藝、硫化工藝等;二是試驗(yàn)條件的影響，例如裁刀的形狀與尺寸、試樣厚度、試樣停放時(shí)間、試驗(yàn)溫度與濕度、拉伸速度、數(shù)據(jù)處理等。下文針對(duì)各方面的影響因素，逐一進(jìn)行闡述。

3.1 工藝過程

3.1.1 混煉工藝

混煉工藝是橡膠一切檢測項(xiàng)目進(jìn)行的前提。在混煉過程中，橡膠分子結(jié)構(gòu)、分子量大小及其分布、配合劑聚集狀態(tài)均發(fā)生變化。通過混煉，橡膠與配合劑之間發(fā)生了物理及化學(xué)作用，形成了新的結(jié)構(gòu)，就其本質(zhì)來說是配合劑在橡膠中均勻分散的過程。另外由于混煉不均，可能引進(jìn)微小氣泡或各種雜質(zhì)，這些缺陷都會(huì)使材料強(qiáng)度降低。因此，混煉過程直接影響制備的試樣質(zhì)量。

混煉過程必須嚴(yán)格遵守GB 6038《橡膠試驗(yàn)用料的配料、混煉硫化設(shè)備及操作程序》和有關(guān)工藝規(guī)程進(jìn)行。

3.1.2 硫化工藝

硫化膠片的質(zhì)量直接影響著試片的質(zhì)量，直接決定著材料拉伸強(qiáng)度的高低。影響膠片硫化質(zhì)量的因素也有很多。

首先，平板硫化機(jī)的上下板的平行度必須控制在0.25mm/m范圍內(nèi);同時(shí)，溫度分布應(yīng)均勻，只有這樣才能保證硫化膠試驗(yàn)各部分均勻硫化，且試樣厚度公差在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

其次，混煉膠要嚴(yán)格按照硫化工藝進(jìn)行。硫化工藝參數(shù)包括溫度、時(shí)間、壓力，硫化工藝的不同直接影響著材料的拉伸性能。比如，溫度低、時(shí)間短，可能會(huì)導(dǎo)致橡膠無法硫化完全;溫度高、時(shí)間長，則可能導(dǎo)致橡膠過硫，不能達(dá)到預(yù)定的性能。在硫化加工過程中留下來的各種痕跡如裂縫、結(jié)構(gòu)不均勻的細(xì)紋、凹陷、真空泡等，都會(huì)直接降低拉伸強(qiáng)度。

硫化溫度是橡膠發(fā)生硫化反應(yīng)的基本條件之一，它直接影響硫化速度和產(chǎn)品質(zhì)量。硫化溫度高，硫化速度快，但高溫易引起橡膠分子鏈斷裂，甚至發(fā)生硫化返原現(xiàn)象，導(dǎo)致性能下降。因此，橡膠的硫化溫度應(yīng)控制的正硫化溫度范圍內(nèi)，不能盲目提高。硫化溫度對(duì)拉伸性能的影響見表1，硫化溫度不同對(duì)不同硫化體系的橡膠的拉伸性能的影響見圖2和圖3。

表1 硫化溫度不同對(duì)拉伸性能的影響

圖2 硫化溫度對(duì)不同硫化劑的天然橡膠的拉伸強(qiáng)度影響

硫化是一個(gè)交聯(lián)過程，需要一定的時(shí)間才能完成。對(duì)于給定的膠料，在一定的硫化溫度和硫化壓力下，有一最適合的硫化時(shí)間，時(shí)間過程產(chǎn)生過硫，時(shí)間過短產(chǎn)生欠硫。硫化時(shí)間對(duì)拉伸性能的影響見表 2、圖 4。

圖3 硫化溫度對(duì)不同硫化劑的合成橡膠的拉伸強(qiáng)度影響

表2 硫化時(shí)間對(duì)拉伸性能的影響(試驗(yàn)材料為EPDM橡膠)

圖4 硫化時(shí)間與拉伸性能關(guān)系

橡膠硫化壓力并不是隨意制定的，是保證膠片幾何尺寸、結(jié)構(gòu)密度、物理機(jī)械性能的重要因素。硫化壓力對(duì)拉伸性能的影響見表3、圖5和圖6。

表3 硫化壓力對(duì)拉伸性能的影響

圖5 硫化壓力與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 硫化壓力與扯斷伸長率的關(guān)系

此外，硅橡膠、氟硅橡膠、氟橡膠等材料在硫化成型后，需要在烘箱中進(jìn)行二段硫化。主要原因是此類橡膠在硫化過程中，會(huì)有小分子物產(chǎn)生，如不排出而留在橡膠內(nèi)，會(huì)影響物理性能。另外，此后處理過程可使橡膠發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，提高交聯(lián)密度，進(jìn)而提高綜合性能。

3.2 試驗(yàn)條件

3.2.1 試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)

膠片在硫化后，其內(nèi)部的分子處在不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在檢測前必須經(jīng)過同試驗(yàn)時(shí)溫濕度相平衡的條件下的狀態(tài)調(diào)節(jié)，最大限度的消除環(huán)境條件不一致對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。經(jīng)過足夠的處理時(shí)間后，可消除試樣加工過程中受熱和機(jī)械應(yīng)力作用而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使之逐漸分布均勻，以致消失。試樣在經(jīng)過狀態(tài)調(diào)節(jié)后進(jìn)行試驗(yàn)，才能測出硫化橡膠的準(zhǔn)確值，以改善橡膠結(jié)果的重復(fù)性。停放時(shí)間對(duì)拉伸性能的影響程度見表4。

表4 停放時(shí)間對(duì)拉伸性能的影響

橡膠試樣調(diào)查節(jié)期間，應(yīng)盡可能使每個(gè)試樣的整個(gè)表面都暴露于環(huán)境調(diào)節(jié)中，并避免試樣受到各種應(yīng)力的作用和陽光的直接照射。

硫化橡膠試樣的狀態(tài)調(diào)節(jié)過程遵循的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2941《橡膠試樣環(huán)境調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度及時(shí)間》。

3.2.2 試樣的制備

3.2.2.1 試樣的裁切

試樣裁切的方向，應(yīng)保證其拉伸受力方向與壓延方向一致，否則其試驗(yàn)結(jié)果會(huì)顯著降低，其影響效果見表5。裁切時(shí)用力要均勻，并以中性肥皂水或潔凈的自來水潤濕試片(或刀具)。若試樣一次裁不下來，應(yīng)舍棄之，不得再重復(fù)舊痕裁切，否則影響試樣的規(guī)則性。此外，為了保護(hù)裁刀，應(yīng)在膠片下墊以適當(dāng)厚度的鉛板或硬紙板。

表5 壓延方向?qū)煨阅艿挠绊?/p>

一般來說，裁刀沖裁數(shù)百次以后，刀刃會(huì)有磨損、損傷，以至于鋒線不再均勻、細(xì)直、平行，用這種刀裁切的試樣必定存在缺陷，導(dǎo)致所測得的拉伸強(qiáng)度和伸長率均一定程度降低。因此，裁刀在裁一定數(shù)量的試樣后，應(yīng)進(jìn)行檢測和研磨。

3.2.2.2 試樣寬度

即使用同一工藝條件制作的試樣，由于工作部分寬度不同所得結(jié)果也不同，不同規(guī)格的試樣所得試驗(yàn)結(jié)果沒有可比性。同一種試樣的工作部分越寬，其拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率都有所降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能有:一是膠料中存在微觀缺陷，這些缺陷雖經(jīng)過混煉但沒能消除，其微觀缺陷在各部分分布的概率是相同的，工作部分尺寸越寬，則工作部分的體積越大，面積越大，存在這些缺陷的機(jī)率越大，故容易發(fā)生斷裂;二是在試驗(yàn)過程中，試樣各部分受力不均勻，試樣邊緣部分的應(yīng)力要大于試樣中間的應(yīng)力，試樣越寬，差別越大，這種邊緣應(yīng)力的集中，是造成試樣早期斷裂的一種原因。

采用不同型號(hào)的裁刀，沖切的試樣工作部分的寬度不一。因此，所測得的結(jié)果也存在差距。試樣寬度對(duì)拉伸性能的影響見表6。

表6 寬度對(duì)拉伸性能的影響(試驗(yàn)材料為硅橡膠)

3.2.2.3 試樣厚度

隨著試樣厚度的增加，它的拉伸強(qiáng)度和伸長率都有所下降。表7列出了厚度不同對(duì)拉伸性能的影響。

造成這一結(jié)果有三種原因。其一，試樣越厚，在用裁刀裁切時(shí)，造成試樣工作部分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)"非矩形"的現(xiàn)象越嚴(yán)重，即試樣越厚，變形越大，凹陷越深，使試樣的實(shí)際面積越小，故強(qiáng)度降低;其二，試樣越厚，拉伸時(shí)"縮頸"越利害，四周的應(yīng)力大于中心部分應(yīng)力，其中邊緣部分應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重，故易早斷;其三，工作部分因厚度變厚而使其工作部分的體積增大，那么它內(nèi)部缺陷出現(xiàn)的幾率也相應(yīng)增多，故也易早斷。

表7 厚度對(duì)拉伸性能的影響(試驗(yàn)材料為丁腈膠板)

3.2.3.1 試驗(yàn)的溫度

材料在不同的溫度條件下，其內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不同的。因此，溫度的不同對(duì)膠料的檢測結(jié)果是有相當(dāng)大的影響的。試驗(yàn)溫度的升高，會(huì)促進(jìn)橡膠內(nèi)部的分子的熱運(yùn)動(dòng)加速，這樣在拉伸應(yīng)力的作用下，橡膠分了更易沿應(yīng)力方向取向，從而分子鏈運(yùn)動(dòng)更容易取向，導(dǎo)致橡膠的拉伸強(qiáng)度下降，伸長率增加。檢測溫度對(duì)拉伸性能的影響見圖7和圖8，外界溫度對(duì)常見膠種拉伸強(qiáng)度的影響見圖9。

圖7 拉伸強(qiáng)度與試驗(yàn)溫度的關(guān)系

綜上可知，溫度變化對(duì)橡膠拉伸性能的影響規(guī)律是:溫度升高，拉伸強(qiáng)度下降，伸長率增加。試驗(yàn)溫度要按照GB/T 2941《橡膠試樣環(huán)境調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度及時(shí)間》中規(guī)定的進(jìn)行。

3.2.3.2 試樣夾持狀態(tài)

在夾具間，試樣須垂直夾持，否則會(huì)由于試樣傾斜而造成受力、變形不均。削弱分子間作用力，降低所測拉伸強(qiáng)度值。

當(dāng)試樣受傾斜力時(shí)，所表現(xiàn)出的狀態(tài)如圖10。

圖8 斷裂伸長率與試驗(yàn)溫度的關(guān)系

圖9 橡膠拉伸強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

圖10 試樣受傾斜力時(shí)的狀態(tài)

3.2.3.3 拉伸速度

拉伸速度對(duì)拉伸強(qiáng)度有著非常重要的影響。橡膠屬于粘彈性材料，在拉伸過程中伴隨著應(yīng)力松弛現(xiàn)象存在，其應(yīng)力松弛過程對(duì)拉伸速度和環(huán)境溫度非常敏感，通常速度越快則強(qiáng)度越高。這是因?yàn)樗俣仍娇?，則松弛時(shí)間越短，由于應(yīng)力松弛所引起的應(yīng)力減小就小，高分子鏈段的運(yùn)動(dòng)跟不上外力作用速度，呈現(xiàn)脆性行為，表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度增大，斷裂伸長率減小。當(dāng)?shù)退倮鞎r(shí)，分子鏈來得及位移、重排，呈現(xiàn)韌性行為，表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度減小，而斷裂伸長率增大。

拉伸速度對(duì)拉伸性能的影響是明顯的，其影響關(guān)系見圖11。

圖11 拉伸速度對(duì)拉伸性能的影響

3.3 試驗(yàn)用設(shè)備、儀器和工具

試驗(yàn)用的各種設(shè)備、儀器和工具，應(yīng)保證符合試驗(yàn)方法規(guī)定的測量精度。同時(shí)，各種儀器在使用一定期限后，應(yīng)進(jìn)行校正，合格后方可使用。

3.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)過程中所測得的數(shù)據(jù)，要按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行記錄和計(jì)算，并精確到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的位數(shù)，否則，試驗(yàn)無可比性。

拉伸強(qiáng)度取試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的中位數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)按數(shù)據(jù)的遞增或遞減順序排列，或試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，取中間的一個(gè)數(shù)值為中位數(shù);若試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為偶數(shù)，取中間兩個(gè)數(shù)值的平均值為中位數(shù)。

4 結(jié)論

經(jīng)上述論述，在拉伸試驗(yàn)的過程中，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響因素是很多的，在每一個(gè)試驗(yàn)步驟中，都存在著影響因素。因此在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，必須要嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行，仔細(xì)操作，并進(jìn)行認(rèn)真分析，摒棄每個(gè)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的環(huán)節(jié)，使各影響因素最小化，這樣所測得的結(jié)果才是可信的、可比的。

［1］ 高聚物檢測結(jié)果的影響因素.塑料科技.2006.

［2］ 王景鶴等.拉伸試驗(yàn).硫化橡膠檢測.

［3］ 劉植榮等主編.試驗(yàn)方法.橡膠工業(yè)手冊(cè)，第八分冊(cè).1992.9.

［4］ 周素華.硅橡膠特性及在某型機(jī)上的應(yīng)用.航空工程與維修，No.3 1999

［5］ 印度橡膠學(xué)會(huì)編.劉大華等譯.橡膠工程手冊(cè)，2002.3.