高世陽(yáng) 王紅梅

橡膠材料耐低溫性能測(cè)試方法對(duì)比

高世陽(yáng)1王紅梅2

（1海裝北京局駐天津地區(qū)第三軍事代表室，天津，300300）（2天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

本文主要介紹了橡膠材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常見(jiàn)的脆性溫度、恢復(fù)率（TR）試驗(yàn)和吉門(mén)試驗(yàn)等三類(lèi)耐低溫性能的五個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，概括介紹相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試原理、試樣尺寸及數(shù)量、測(cè)試過(guò)程、結(jié)果計(jì)算等，為廣大工程技術(shù)人員提供參考。

橡膠材料；耐低溫；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

ASTM D1566中關(guān)于橡膠的定義如下：橡膠是一種材料，它在大的變形下能迅速而有力地恢復(fù)其變形。橡膠材料的獨(dú)具（唯一）特征是：常溫下具有高彈性。因此橡膠也稱(chēng)為彈性體，橡膠高彈性的具體表現(xiàn)為：①?gòu)椥孕巫兇?，可達(dá)1000%；②彈性模量特別低，在MPa數(shù)量級(jí)別；③變形去掉外力后，迅速恢復(fù)，永久變形小。橡膠材料的形變量隨溫度變化的曲線如圖1所示。

圖1 橡膠材料的形變量隨溫度變化的關(guān)系圖

其中A區(qū)域?yàn)椴ＡB(tài)、C區(qū)域?yàn)楦邚棏B(tài)、E區(qū)域?yàn)檎沉鲬B(tài)、B和D區(qū)域?yàn)檫^(guò)渡態(tài)，g為玻璃化溫度、T為脆性溫度、f為粘流溫度。橡膠材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中只有在高彈態(tài)下才具有真正的使用價(jià)值，因此廣大工程技術(shù)人員總是希望橡膠材料能在更寬溫度范圍內(nèi)具有高彈性。但實(shí)際上橡膠材料隨著其工作環(huán)境溫度的降低逐漸喪失彈性從而失去使用價(jià)值[1]。因此正確進(jìn)行橡膠材料耐低溫性能測(cè)試，顯得尤為重要。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于橡膠材料耐低溫性能測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)可分為以下三類(lèi)：脆性溫度、恢復(fù)率（拉伸回縮和壓縮恢復(fù)）、剛性變化。本文對(duì)橡膠材料耐低溫性能常見(jiàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，概括介紹相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試原理、試樣尺寸及數(shù)量、測(cè)試過(guò)程、結(jié)果計(jì)算等，供廣大工程技術(shù)人員尤其是剛?cè)腴T(mén)技術(shù)人員參考。

1 脆性溫度

脆性溫度是指橡膠材料在外來(lái)沖擊力下出現(xiàn)破壞時(shí)的最高溫度/不出現(xiàn)破壞時(shí)的最低溫度[2～3]，測(cè)定分為單試樣法和多試樣法，對(duì)應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1682-2014 《硫化橡膠低溫脆性的測(cè)定單試樣法》和GB/T 15256-2014 《硫化橡膠或熱塑性橡膠低溫脆性的測(cè)定（多試樣法）》。

1.1 脆性溫度（單試樣法）

測(cè)試原理：將試樣裝入升降夾持器中，在冷凍介質(zhì)中冷凍至規(guī)定時(shí)間，升起升降夾持器，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用沖擊器沖擊試樣，取下試樣，觀察有無(wú)破壞。

試樣尺寸：長(zhǎng)度為25.0mm±0.5mm、寬度為6.0mm±0.5mm、厚度為2.0mm±0.2mm。

試樣數(shù)量：每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)下單個(gè)試樣，每個(gè)試樣只允許沖擊一次。

結(jié)果記錄：試樣出現(xiàn)破壞的最高溫度，即為該試樣的脆性溫度，單位為℃。

1.2 脆性溫度（多試樣法）

測(cè)試原理：將試樣固定在夾持器中，在冷卻介質(zhì)中冷卻至規(guī)定時(shí)間，用沖擊器對(duì)試樣進(jìn)行一次沖擊，取下試樣，觀察破壞情況。

試樣尺寸（常用）：厚度為2.0mm±0.2mm，形狀尺寸如圖2所示。

圖2 （多試樣法）脆性溫度的測(cè)試試樣尺寸

試樣數(shù)量：每個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)下一組試樣，一組5個(gè)，每組試樣只允許沖擊一次。

測(cè)試過(guò)程：將試樣裝入夾持器中，在冷卻介質(zhì)（液體）中冷卻5min（如果冷卻介質(zhì)為氣體，則冷卻10min），用沖擊器對(duì)試樣進(jìn)行一次沖擊。取下試樣，觀察有無(wú)破壞（試樣出現(xiàn)任何一個(gè)肉眼可見(jiàn)的裂縫或小孔，或完全斷成兩片甚至更多碎片定義為破壞；試樣沒(méi)有完全斷裂時(shí)，將試樣沿沖擊彎曲方向彎曲90°，檢查彎曲處的試樣破壞情況）。以2℃的間隔升溫或降溫，直至測(cè)出一組試樣完全無(wú)破壞的最低溫度。

結(jié)果記錄：試樣完全無(wú)破壞的最低溫度，即為該材料的脆性溫度，單位為℃。

1.3 50%脆性溫度（多試樣法）

測(cè)試原理、試樣尺寸、試樣數(shù)量、測(cè)試過(guò)程均與1.2部分相同。

結(jié)果記錄：首先記錄試樣完全無(wú)破壞的最低溫度和所有試樣都破壞的最高溫度，并記錄在每個(gè)溫度下破壞的試樣數(shù)量。使用公式1來(lái)確定50%脆性溫度。

式中：

b—— 50%脆性溫度，℃；

h—— 所有試樣都破壞的最高溫度，℃；

△—— 測(cè)試溫度之間的間隔溫度，℃；

S —— 從沒(méi)有試樣破壞到試樣全部破壞的溫度范圍內(nèi)，每個(gè)溫度下試樣破壞的百分比之和，%。

2 恢復(fù)率測(cè)試

測(cè)試橡膠材料在低溫下的變形恢復(fù)方法包括拉伸回縮和低溫壓縮永久變形，對(duì)應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 7758-2020 《硫化橡膠低溫性能的測(cè)定溫度回縮程序（TR試驗(yàn)）》和GB/T 7759.2-2014 《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測(cè)定第2部分：在低溫條件下》。

2.1 拉伸回縮（TR試驗(yàn)）

測(cè)試原理：將試樣在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫度下拉伸，然后冷卻到在除去拉伸力時(shí)不出現(xiàn)回縮的足夠低的溫度。除去拉伸力，并以均勻的速率升高溫度。測(cè)出達(dá)到規(guī)定回縮率時(shí)的溫度[4]。

試樣尺寸：GB/T 7758-2020中規(guī)定的試樣形狀和尺寸應(yīng)如圖3所示。試樣初始長(zhǎng)度0應(yīng)為100mm±0.2mm或50mm±0.2mm，其中100mm±0.2mm的試樣適用于低伸長(zhǎng)率材料的試驗(yàn)，50mm±0.2mm的試樣適用于高伸長(zhǎng)率材料的試驗(yàn)。

圖3 TR試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣形狀及尺寸

試樣數(shù)量：不少于3個(gè)。

測(cè)試過(guò)程：將試樣夾持在試樣架上，從初始長(zhǎng)度拉伸到50%（大多數(shù)情況）并鎖定；然后將帶有試樣的試樣架迅速放入-70℃～-73℃（如果試樣在-70℃下回縮這些更換其他冷卻介質(zhì)冷卻至更低溫度）的冷卻槽中保持10min±2min。松開(kāi)上夾具的鎖定裝置，讓試樣自由回縮，同時(shí)以1℃/min的速率使冷卻介質(zhì)升溫（允差為任一個(gè)10min時(shí)間間隔內(nèi)，溫升為10℃±2℃）。松開(kāi)試樣時(shí)讀取第一個(gè)讀數(shù)，以最大間隔2min讀取一次溫度值和對(duì)應(yīng)的回縮長(zhǎng)度或回縮率，直到回縮率達(dá)到71%為止。

結(jié)果計(jì)算：回縮率通過(guò)公式（2）計(jì)算：

式中：

—— 回縮率；

s—— 鎖定狀態(tài)下的拉伸長(zhǎng)度，mm；

r—— 相關(guān)溫度下的回縮長(zhǎng)度，mm；

0—— 初始長(zhǎng)度，mm。

讀出對(duì)應(yīng)10%、30%、50%和70%回縮率的溫度，這些溫度分別稱(chēng)為T(mén)R10、TR30、TR50和TR70，取三個(gè)試樣的中值。

2.2 低溫壓縮永久變形

測(cè)試原理：在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫度下，將已知高度的試樣壓縮至規(guī)定的高度。在規(guī)定的低溫條件下保持一定時(shí)間，然后在相同低溫下釋放壓縮，將試樣在自由狀態(tài)下恢復(fù)，測(cè)量試樣的高度：可以每隔規(guī)定時(shí)間測(cè)量一次（通過(guò)對(duì)壓縮高度與時(shí)間作圖，可評(píng)價(jià)在低溫條件下試樣壓縮永久變形特性），也可以在規(guī)定的時(shí)間后進(jìn)行測(cè)量[5]。

試樣尺寸：GB/T 7759.2-2014中規(guī)定的試樣規(guī)格為：直徑29mm±0.5mm、高度12.5mm±0.5mm的圓柱體。

試樣數(shù)量：3個(gè)。

結(jié)果計(jì)算。壓縮永久變形（%）通過(guò)公式（3）計(jì)算：

式中：

0—— 試樣原始高度，mm；

1—— 試樣恢復(fù)后的高度，mm；

s—— 限制器高度，mm。

3 低溫剛性變化（吉門(mén)試驗(yàn)）

測(cè)定橡膠材料在靜態(tài)過(guò)程中從室溫至-150℃的溫度范圍內(nèi)的相對(duì)剛性特征的方法，又稱(chēng)吉門(mén)試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6036-2020《硫化橡膠或熱塑性橡膠低溫剛性的測(cè)定（吉門(mén)試驗(yàn)）》。

測(cè)試原理：從低溫開(kāi)始，測(cè)量與溫度呈函數(shù)關(guān)系的扭轉(zhuǎn)剛度。剛性的測(cè)量方法是將試樣與已校準(zhǔn)的彈簧鋼絲連接，將鋼絲頂部扭轉(zhuǎn)180°時(shí)，測(cè)量試樣扭轉(zhuǎn)的角度[6]。

試樣尺寸：長(zhǎng)度為40.0mm±2.5mm、寬度為3.0mm±0.2mm、厚度為2.0mm±0.2mm。

試樣數(shù)量：不少于3個(gè)試樣。

測(cè)試過(guò)程：將試樣夾持在夾持器上，首先記錄試樣在23℃介質(zhì)中下扭轉(zhuǎn)180°后自由恢復(fù)10s時(shí)的扭轉(zhuǎn)角（120°～170°為宜）。再將試樣扭轉(zhuǎn)180°后，將帶有試樣的試樣架，迅速放入規(guī)定最低試驗(yàn)溫度的冷卻介質(zhì)中保持15min。然后進(jìn)行5℃/5min的間隔逐級(jí)升溫或以1℃/min的升溫速率連續(xù)升溫。逐級(jí)升溫時(shí)，試樣在每一溫度下調(diào)節(jié)5min后進(jìn)行測(cè)試量；連續(xù)升溫時(shí)每1min測(cè)量一次。繼續(xù)升溫至此溫度下試樣的扭轉(zhuǎn)角比在23℃時(shí)的扭轉(zhuǎn)角小5°～10°為止。

結(jié)果計(jì)算：表觀剛性扭轉(zhuǎn)模量（Pa），通過(guò)公式（4）計(jì)算：

163……………………（3）

式中：

—— 鋼絲的扭轉(zhuǎn)常數(shù)，N·m；優(yōu)先選用2.8×10-3N·m；

—— 試樣的自由長(zhǎng)度，m；

—— 試樣寬度，m；

—— 試樣厚度，m；

—— 以/為基礎(chǔ)的系數(shù)（為3.0、為2.0時(shí)，為3.13）；

—— 試樣的扭轉(zhuǎn)角，°。

4 總結(jié)

由于測(cè)試結(jié)果取決于特定的試驗(yàn)條件，因此測(cè)試結(jié)果僅表示該橡膠材料大致的耐低溫性能，并不能準(zhǔn)確獲得該材料的耐低溫特性絕對(duì)值結(jié)果。但不同的測(cè)試方法表征橡膠材料不同的耐低溫性能，各種方法又可以互為補(bǔ)充。具體使用哪種測(cè)試方法，取決于橡膠材料的實(shí)際使用場(chǎng)合。例如僅關(guān)注橡膠材料在低溫狀態(tài)下的剩余彈性，可以使用脆性溫度測(cè)試方法；如需關(guān)注橡膠密封材料在低溫狀態(tài)下的變形恢復(fù)能力，可以使用壓縮變形或TR測(cè)試方法。

[1] 武晶,曹元禮,王夢(mèng)媛等.丁腈橡膠低溫性能關(guān)聯(lián)性的研究[J]. 特種橡膠制品,2021,42(1):48-51

[2] GB/T 1682-2014 《硫化橡膠低溫脆性的測(cè)定單試樣法》[S]

[3]GB/T 15256-2014 《硫化橡膠或熱塑性橡膠低溫脆性的測(cè)定（多試樣法）》[S]

[4] GB/T 7758-2020 《硫化橡膠低溫性能的測(cè)定溫度回縮程序（TR試驗(yàn)）》[S]

[5]GB/T 7759.2-2014 《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測(cè)定第2部分：在低溫條件下》[S]

[6] GB/T 6036-2020 《硫化橡膠或熱塑性橡膠低溫剛性的測(cè)定（吉門(mén)試驗(yàn)）》[S]

高世陽(yáng)，男，1979.04.23出生，工程師，碩士，主要從事海上救助與救生、水下勘探及打撈等產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)。