・32・广州化工2004年32卷第3期
橡胶固化的流变学研究
吴乔峰 丁晓炯
(美国BROO KFIELD 公司上海代表处,200063)
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 Wu Q iaofeng (B rookf iel d )
Abstract The to a method to investigate and quantify the build up of struc 2
ture at cure of different “rubber ”based products. From the results of controlled stress yield test and creep test that rheology provides a good method to characterize the cure of rubber.
K eyw ords rubber cure rheology
试中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。
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最小速度运动。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
图1 控制应力屈服测试
2004年32卷第3期广州化工・33・
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
图2 蠕变测试
的重复, 实验条件设置为:
①旋转速度0102弧度/②每个温度下在30s 30个数据点
331℃到140℃的屈服
表1
) 测试(℃
16133216Pa
1004419Pa
1054819Pa
1109718Pa
115325Pa
1206,610Pa
屈服点
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。312 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。
31211 连续测试N7—蠕变粘度Pas 。
表2
) 温度(℃
802131
903151
1009179
10571
11541319
1201021
12518,182
141,236
蠕变粘度
表3
) 温度(℃
802112
903139
1001010
1058015
110507
1151229
12021,230
125148,730
蠕变粘度
表二、表三是对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。31212 N2-蠕变粘度Pas 。
表4
) 温度(℃
8052
90124
10028200
105Infinite
蠕变粘度
从N2的蠕变粘度结果可以看出,N2的固化温
度明显比N7低。
4]
313 评价物质流变性的指标[3、31311 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, 液体在静止时有最大的粘度(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最小粘度。这种行为被称做
・34・广州化工2004年32卷第3期
剪切变稀和假塑性。在有些材料中黏度的最大和最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(始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。31312 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, 使其不会流动。这样的结构, 构屈服并流动。服应力, 这个值得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。31313 触变性
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。31314 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, 这种技术只能在高端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, ———运动的距离和速度———(通常是几分钟) 作图, 我们得到所测上文的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。
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, 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、
参考文献
1 Brookfield Engineering Laboratories , Inc , Application Re 2
port :03/13,Bookfield Engineering Laboratories ,Inc. 2 Brookfield Engineering Laboratories , Inc , Product Develop 2
ment And Quality Control With New R/S Rheometer Range. Lab Notes.
3 Brookfield Engineering Laboratories , Inc , Testing Difficult
Samples With the new S oft S olids Test SST 2000. Lab Notes.
4 刘柳莉1上海计量测试,2003,2:43
・32・广州化工2004年32卷第3期
橡胶固化的流变学研究
吴乔峰 丁晓炯
(美国BROO KFIELD 公司上海代表处,200063)
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 Wu Q iaofeng (B rookf iel d )
Abstract The to a method to investigate and quantify the build up of struc 2
ture at cure of different “rubber ”based products. From the results of controlled stress yield test and creep test that rheology provides a good method to characterize the cure of rubber.
K eyw ords rubber cure rheology
试中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。
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最小速度运动。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
图1 控制应力屈服测试
2004年32卷第3期广州化工・33・
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
图2 蠕变测试
的重复, 实验条件设置为:
①旋转速度0102弧度/②每个温度下在30s 30个数据点
331℃到140℃的屈服
表1
) 测试(℃
16133216Pa
1004419Pa
1054819Pa
1109718Pa
115325Pa
1206,610Pa
屈服点
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。312 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。
31211 连续测试N7—蠕变粘度Pas 。
表2
) 温度(℃
802131
903151
1009179
10571
11541319
1201021
12518,182
141,236
蠕变粘度
表3
) 温度(℃
802112
903139
1001010
1058015
110507
1151229
12021,230
125148,730
蠕变粘度
表二、表三是对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。31212 N2-蠕变粘度Pas 。
表4
) 温度(℃
8052
90124
10028200
105Infinite
蠕变粘度
从N2的蠕变粘度结果可以看出,N2的固化温
度明显比N7低。
4]
313 评价物质流变性的指标[3、31311 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, 液体在静止时有最大的粘度(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最小粘度。这种行为被称做
・34・广州化工2004年32卷第3期
剪切变稀和假塑性。在有些材料中黏度的最大和最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(始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。31312 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, 使其不会流动。这样的结构, 构屈服并流动。服应力, 这个值得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。31313 触变性
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。31314 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, 这种技术只能在高端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, ———运动的距离和速度———(通常是几分钟) 作图, 我们得到所测上文的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。
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, 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、
参考文献
1 Brookfield Engineering Laboratories , Inc , Application Re 2
port :03/13,Bookfield Engineering Laboratories ,Inc. 2 Brookfield Engineering Laboratories , Inc , Product Develop 2
ment And Quality Control With New R/S Rheometer Range. Lab Notes.
3 Brookfield Engineering Laboratories , Inc , Testing Difficult
Samples With the new S oft S olids Test SST 2000. Lab Notes.
4 刘柳莉1上海计量测试,2003,2:43