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橡胶固化的流变学研究

橡胶固化的流变学研究

摘要：本文的目的是得到一种快速、可重复的方法来反映并量化两种不同橡胶产
品在固化温度下结构的形成，从控制应力屈服测试和蠕变测试结果我们发现流变
学方法可以用来很好的表征橡胶的固化。
关键词：橡胶固化流变学
Rheological Study on the Cure of Rubber
BROOKFIELD SHANGHAI REPRESENTATIVE， 200063
Abstract: The objective of this paper is to find a method thatenables us to follow and
quantify the build up of structure at cure temperature of two verydifferent “rubber”
based products. From the results of controlled stress yield testand creep test, we
found that rheology is a good method to characterize the cure ofrubber.
Key words: Rubber Cure Rheology
1. 引言
本文叙述了通过研究橡胶的流变学特性来找到一种快速、可重复的方法来反
映并量化两种不同“橡胶”产品在“固化”温度下结构的形成。本文采用了流变
学中的蠕变和屈服技术[1]。
屈服技术要求样品在通过上面板所加的扭矩（旋转应力）作用下以一个预先
确定的*小速度运动。在运动后对材料在到达屈服点的过程中累积应力的速率的
计算给出了一个值——模量，它表明了材料的整体硬度。在这一测试中应力曲线
的峰值即为屈服应力，见图1。随着材料的固化，我们会看到屈服点和模量的增
加，一旦达到稳定的“完全固化”状态，在达到屈服点前这些参数的增加就会停
止。
蠕变技术是指在测试过程中对样品上加一个恒定应力，记录所获得的移动
（应变）对时间的变化，见图2。
通常为了比较不同样品的位移（应变）/时间数据，对相似样品进行的蠕变
测试是在同样的条件（温度、时间和所加的应力）下进行的。在本文中由于温度
要求变化，这种标准的方法是不合适的。同样，由于模量（总体硬度）的大小也
会改变，在连续蠕变测试中所加应力也是随着测试的进行增加的。因此我们将所
获得的数据转换成J（柔量）对时间的关系，柔量可以对所加的应力进行“归一
化”处理。
图1：控制应力屈服测试图2：蠕变测试
2．实验
本文的样品是Fenner Dunlop 公司提供的两种橡胶——N7，N2，流变学测量
采用的仪器是美国Brookfield 公司的R/S-CPS 锥/板流变仪，这种流变仪可以提
供多种操作方法：控制剪切应力流动、控制剪切应率流动、应力驱动屈服、应变
驱动屈服、蠕变等[2]。
在屈服应力测试中，为了获得结构累积的数据，我们进行了一系列的测试，
每个测试都是前面测试的重复，实验条件设置为：
􀁺 旋转速度 0.02 弧度/秒
􀁺 每个温度下在30 秒内采集30 个数据点
3. 结果与讨论
3.1 N7 从80 ºC 到140 ºC 的屈服
测试 80 ºC 90 ºC 100 ºC 105 ºC 110 ºC 115 ºC 120 ºC
屈服点 16.3 Pa 32.6 Pa 44.9 Pa 48.9 Pa 97.8 Pa 325 Pa 6,610 Pa
从上表中可以看出，随着温度的增加，橡胶的屈服应力逐渐增加，变化非常
明显。这是与橡胶内部的结构变化相吻合的，随着温度的增加，橡胶发生了固化，
其屈服应力也逐渐增加。因此橡胶的屈服应力可以很好的反应其固化情况。
3.2 N7 和N2 的蠕变
对蠕变数据的分析获得了几个参数。为了更清楚，本文选了其中的一个——
蠕变粘度——来显示测试中温度增加时样品结构的形成。蠕变粘度本质上是本文
中理论部分提到的“稳定剪切蠕变”曲线的梯度。图3 是N7 的柔量随温度的变
化情况。
3.2.1 连续测试N7 – 蠕变粘度 Pas.
实验一
温度 80 ºC 90 ºC 100 ºC 105 ºC 110 ºC 115 ºC 120 ºC 125 ºC
蠕变粘度 2.31 3.51 9.79 71 413.9 1021 18,182 141,236
实验二
温度 80 ºC 90 ºC 100 ºC 105 ºC 110 ºC 115 ºC 120 ºC 125 ºC
蠕变粘度 2.12 3.39 10.0 80.5 507 1229 21,230 148,730
上表是对N7 连续进行两次蠕变测试所得到的蠕变粘度。从结果可以看出两
次测试结果重复性较好，均反应了样品随温度升高的变化情况。
3.2.2 N2 – 蠕变粘度 Pas.
温度 80 ºC 90 ºC 100 ºC 105 ºC
蠕变粘度 52 124 28200 Infinite
从N2 的蠕变粘度结果可以看出，N2 的固化温度明显比N7 低。
3.3 评价物质流变性的指标[3][4]
3.3.1 粘度
结构化流体的粘度不是恒定的，而是与其所受的剪切率有关的。通常情况下，
液体在静止时有*大的粘度（零剪切粘度），并且会逐渐剪切变稀直到在一个高
剪切率下达到*小粘度。这种行为被称做剪切变稀或假塑性。在有些材料中黏度
的*大和*小值间会有几十的差距，而在其它材料中这个差距会非常小。
这表明了很重要的一点：在一个特定的转速或剪切率下测得的黏度可能与在
所考虑的处理过程中特定的剪切率下的黏度没有任何关系。比如，低剪切率下测
得的粘度是与长时间情况下的处理过程（如悬浮固体的沉淀或湿涂层的自流相关
的），因此在高剪切率下测定的粘度对于预测沉淀稳定性或好的自流行为就不能
进行可信的预测。
通过持续增加剪切率来测量粘度就能得到材料的粘度分布图，从而就能揭示
出材料中重要的流动特性，而这在单点测量技术中是得不到的。
3.3.2 屈服应力
有些材料称为软固体比流体更合适。除非放置一段很长的时间，否则强凝胶
和浓浆体的内部结构使其不会流动。许多其它并不明显的稳固材料也有这样的结
构，只是更加精细。
在这些材料上施加一个足够大的外力会使其结构屈服并流动。导致液体流动
的力就称为材料的屈服应力，这个值是在很多工业过程中（如泵吸、涂敷和涂布）
中是很重要的一个参数。
3.3.3 触变性
当把一定的剪切率加在假塑性流体上时，其粘度会下降到其粘度分布图中的
一个特征值。这种剪切变稀可能立即发生，也可能过一段时间才会发生。类似的
（通常是更重要的），在停止剪切后，粘度会过一段时间后才会恢复到起点值（如
图4），流体的这种特性就被称为触变性。
从产品的性能或处理角度看触变性可能是好事，也可能是坏事。混合、泵吸、
填充和应用特性都会显著地受到触变性的破坏和恢复速度的影响，因此预测其值
就显得尤为重要。知道了粘度分布图、屈服应力和触变性后我们可以解决工业中
很多常见的流动问题。
3.3.4 蠕变性
蠕变测试是一种只有在控制应力型流变仪上才能提供的强大的技术，相比于
简单的粘度或屈服应力测量，这种方法能够更多地揭示材料的粘弹性。到目前为
止，这种技术只能在**的研究级流变仪系统中提供。现在，Brookfield 的
RS-SST 软固体测试仪的出现给日常的质量控制人员或产品开发人员带来了简
单而又强大的蠕变测试方法。
蠕变测试是在一定的时间内将一个很小的恒定应力加在样品上，然后将样品
对此应力的响应——运动的距离和速度——对时间（通常是几分钟）作图。通过
观察样品对此应力的响应，我们得到所测试样品大量的信息。
4. 结论
实验结果表明了流变学方法中的屈服应力测试和蠕变技术能反应橡胶在温
度增加情况下固化时结构的形成，对这两种方法所产生的数据的分析很容易确定
材料在固化的任何阶段的固化速率和相对硬度，从而可以量化橡胶的固化形成。
参考文献：
1 Brookfield Engineering Laboratories, Inc.，ApplicationReport:03/13, Brookfield
Engineering Laboratories, Inc.
2 Brookfield Engineering Laboratories, Inc.，Product Development AndQuality
Control With New R/S Rheometer Range. Lab Notes.
3 Brookfield Engineering Laboratories, Inc.，Testing DifficultSamples With the new
Soft Solids Test SST 2000. Lab Notes.

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