不同條件下硫化橡膠的動態黏彈性能分析

林 偉， 景 倩， 王 娜， 韓文馳， 方慶紅

(沈陽化工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110142)

橡膠材料在生活和工程中都有極為廣泛的應用，該材料不僅具有低剛度、高彈性的特點，還具有黏彈性能.橡膠材料的黏彈滯后生熱是其疲勞破壞的重要影響因素，直接關系到橡膠制品的結構、性能和使用壽命.滯后圈是衡量材料每次循環損失能量的一個重要指標，可用于橡膠制品動態性能研究.許多學者針對此概念進行討論:王進［1］等考察了預應力與滯回曲線包圍面積之間的關系;劉宇艷［2］等研究了加載頻率對滯回曲線的影響;何燕［3］等研究了橡膠的生熱特性.橡膠材料導熱系數較低，其滯后效應產生的能量損失造成了橡膠材料的溫升，該溫升對材料性能有較大的影響［4］.因此，了解橡膠材料的生熱機理及其影響因素，對提高橡膠材料的性能和壽命有著至關重要的作用.

本文采用動態仿真實驗，測定硫化橡膠在周期載荷作用下的動態應力-應變關系曲線(滯回曲線)，考察預應力、加載頻率、環境溫度對滯回曲線的影響及損耗因子與頻率、溫度的關系，為橡膠材料的性能研究和橡膠制品的結構設計提供參考依據.

1 實驗部分

1.1 實驗原料及配方

實驗原料配方(質量份數):順丁橡膠(BR) 60.0，丁苯橡膠(SBR)40.0，炭黑(N330)50.0，防老劑(4010)1.0，氧化鋅5.0，硬脂酸2.0，促進劑1.5，硫黃1.1.

1.2 實驗設備

開放式煉膠機(XK-160型)，青島環球機械股份有限公司;橡膠硫化測定儀(GT-M2000-A型)，高鐵科技股份有限公司;動態仿真儀(VS-2001型)，華中科技有限公司.

1.3 試件制備

先將順丁橡膠、丁苯橡膠在開煉機上包輥，依次加入防老劑、促進劑、氧化鋅和硬脂酸，充分混煉后再逐步加入炭黑進行混煉，最后加入硫黃混煉均勻后出片.放置8 h后，將混煉膠片在平板硫化機上于150℃硫化成直徑17.8 mm、高度25 mm的圓柱形試件.

1.4 實驗內容

采用VS-2001動態仿真儀對不同條件下橡膠的動態性能表現進行仿真模擬，測得橡膠動態情況下潛在的黏彈性變化.實驗通過改變預應力、加載頻率、環境溫度測定BR/SBR硫化橡膠在周期載荷作用下的動態應力-應變滯回曲線與損耗因子.

2 結果與討論

2.1 滯后圈的影響因素

在交變載荷下，黏彈性材料產生的應力和應變之間會存在一個相位角，形成滯回曲線，即滯后圈.滯后圈是衡量材料每次循環損失能量的一個重要指標，所包圍的面積表示一個循環周期內單位體積的橡膠克服內部摩擦力消耗的機械功，即內耗［5］.能量耗散的計算公式為:

其中:σ為應力，單位為Pa;ε為應變;W是單位能耗，單位為J/m3.這種材料內部能量的損失會成為熱源，引起材料溫度的升高，而較高的溫度將導致硫化橡膠化學性能和物理性能的下降，影響橡膠制品的使用壽命和安全性.針對影響硫化橡膠特性的幾個主要因素，即預應力、加載頻率和環境溫度對橡膠材料滯回曲線的影響進行分析.

2.1.1 預應力對滯后圈的影響

在環境溫度為55℃、載荷頻率為30 Hz、固定振幅為2.5 mm的條件下，采用壓-壓位移控制模式，分別對試件施加0.44 MPa、0.66 MPa的預應力，壓縮25 min，測得滯后圈如圖1所示.

從圖1可以看出:相同加載頻率下，預應力大小對滯回曲線的形狀影響不大，接近橢圓程度相當.隨預應力的增大，應力和應變幅值都有不同程度的增大，應力幅值由5 kPa增大到10 kPa，應變幅值由8%增大到10%;滯回曲線包圍的面積也增大，根據能耗公式計算出預應力0.44 MPa時的能耗是29.5 J/m3，0.66 MPa時的能耗是60.9 J/m3，說明材料的能耗增大.在周期載荷作用下，預應力大的形變嚴重滯后于應力，克服內部摩擦力做的機械功多，能量損失大.

圖1 不同預應力時的滯后圈Fig.1 Hysteretic loop at different pre-stress

2.1.2 加載頻率對滯后圈的影響

在環境溫度為55℃、預應力為0.44 MPa、固定振幅為2.5 mm的條件下，采用壓-壓位移控制模式，分別在5 Hz、15 Hz、25 Hz頻率下將試件壓縮25 min，得到滯后圈如圖2所示.

圖2 不同頻率時的滯后圈Fig.2 Hysteretic loop at different frequency

由圖2可以看出:橡膠材料呈現非線性應力-應變關系，滯后圈不是規則的橢圓形狀，而是明顯向下彎曲，隨著加載頻率的增大，其彎曲程度越明顯，滯回曲線包圍的面積增大即能耗增大，根據能耗公式計算出頻率5 Hz時的能耗是25.1 J/m3，15 Hz時的能耗是42.6 J/m3，25 Hz時的能耗是93.3 J/m3，能耗變化趨勢如圖3所示，說明橡膠材料黏滯效應與加載頻率有關.5 Hz時應力幅值為5.5 kPa，應變幅值為9%，15 Hz時應力幅值為5 kPa，應變幅值為10%，25 Hz時應力幅值為7 kPa，應變幅值為13%.從上述數據可知:隨著加載頻率的增大，橡膠材料的應力與應變幅值均有變化，且25 Hz時的應力應變幅值明顯大于5 Hz、15 Hz時的應力應變幅值，故其滯后圈位于二者之間，可以看出加載頻率對硫化橡膠材料的滯后效應有很明顯的影響［6］.

圖3 不同頻率時的能耗Fig.3 Dissipated power at different frequency

2.1.3 環境溫度對滯后圈的影響

滯后圈除與載荷和加載頻率有關外，還會受到其所處環境溫度的影響.圖4是環境溫度分別為60℃、90℃和120℃時，試件在頻率為30 Hz、預應力為0.66 MPa，位移控制模式為壓-壓，固定振幅為2.5 mm的條件下壓縮5 000次測得的滯后圈.

圖4 不同環境溫度時的滯后圈Fig.4 Hysteretic loop at different temperature

從圖4可以看出:隨著環境溫度的升高，滯后圈越來越不規則，滯后現象變的不明顯，應力和應變幅值都顯著減小，與60℃、90℃相比，120℃時的應力與應變幅值變化最小，因其溫度高，初始變形大，所以滯后圈位于二者之間;滯回曲線包圍的面積有減小的趨勢.根據能耗公式計算出60℃時的能耗是55.4 J/m3，90℃時的能耗是26.8 J/m3，120℃時的能耗是11.1 J/m3，能耗變化趨勢如圖5所示.這與橡膠材料的內部運動狀態有關，隨著溫度的升高，分子鏈段運動松弛時間變短，運動單元逐漸跟得上外力變化，從而引起滯后減少，伴隨分子運動產生的能量損耗隨之變小［7］.這與實驗測得的損耗因子變化規律相符合，60℃時測得的損耗因子為0.096 6，90℃時測得損耗因子為0.095 7，120℃時測得損耗因子為0.088 0，表明隨著環境溫度的升高，能耗呈減小的趨勢.

圖5 不同環境溫度時的能耗Fig.5 Dissipated power at different temperature

2.2 損耗因子的影響因素

損耗因子tanδ通常稱為阻尼系數，表征阻尼材料的阻尼性能，反映材料形變過程中損耗能量的能力，公式表示為:

其中:E″為材料損耗模量，E'為材料儲能模量.橡膠在交變載荷下必然將一部分振動能轉變為熱能耗散掉，起到阻尼作用.

2.2.1 頻率對損耗因子的影響

在環境溫度為25℃、預應力為0.02 MPa、固定振幅為2.5 mm的條件下，采用壓-壓位移控制模式，試件在不同頻率下壓縮5 000次，測得的損耗因子如圖6所示.

圖6 不同頻率下的損耗因子Fig.6 Loss factor at different frequency

由圖6可看出:總的趨勢是損耗因子隨著加載頻率的增加而增大，說明材料的耗能大小與加載頻率正相關，但低頻下黏彈材料的損耗因子隨著頻率的改變而變化的情況并不如高頻時顯著，所以，工程上與研究中會盡量使黏彈材料在低頻下工作，一般低于4 Hz，目的就是避免發生滯后生熱現象.

2.2.2 環境溫度對損耗因子的影響

在預應力為0.02 MPa、固定振幅為2.5 mm的條件下，采用壓-壓位移控制模式，分別在10 Hz、20 Hz、30 Hz下將試件于不同環境溫度下壓縮5 000次，測得的損耗因子如圖7所示.由圖7可看出:損耗因子隨環境溫度的升高而快速減小.結果顯示與圖5表明的趨勢一致，即隨著溫度的提高材料的能耗逐漸減小.一般黏彈材料都在高彈態使用，隨著溫度的升高，材料從硬到軟，模量發生幾個數量級的急劇下降，損耗因子也發生較大的變化，所以，溫度是影響黏彈材料性能的最主要因素.不同頻率下的損耗因子隨溫度的升高而降低速率不同，30 Hz時下降最快，10 Hz與20 Hz下降速率相差不大，但隨著溫度的增加，10 Hz時下降的更慢些.

圖7 不同頻率下的損耗因子與溫度的關系Fig.7 Loss factor change with temperature at different frequency

3 結論

對硫化橡膠進行了動態仿真實驗，分別考察了預應力、加載頻率和環境溫度對橡膠滯回曲線的影響及損耗因子與頻率、溫度的關系，得到如下結論:

(1)相同加載頻率、環境溫度下，隨預應力的增大，滯回曲線包圍的面積增大，材料的內耗增大.

(2)相同預應力、環境溫度下，隨著加載頻率的增大，滯回曲線下彎程度明顯，所包圍的面積增大，材料的內耗增大.

(3)相同預應力、加載頻率下，隨著環境溫度的升高，滯后圈形狀越來越不規則，滯后現象變得不明顯，滯后圈所包圍的面積有減小的趨勢，說明在較高溫度(在一定范圍內)下，材料的力學內耗減小.

(4)損耗因子隨溫度的升高而減小，隨頻率的增加而增大，低頻下黏彈材料的損耗因子隨著頻率的改變而變化的情況不如高頻時顯著.

［1］ 王進，楊軍，唐先賀.橡膠疲勞破壞性能的研究［C］//2004年國際橡膠會議中文論壇文集.北京:中國化工學會，2004:123－126.

［2］ 劉宇艷，譚惠豐，杜星文.單向簾線增強橡膠復合材料在周期載荷下的動態粘彈性［J］.高技術通訊，2002(4):55－59.

［3］ 何燕，馬連湘，盛保信，等.航空輪胎硫化橡膠的生熱特性［C］//2004年國際橡膠會議論文集.北京:中國化工學會，2004:171－174.

［4］ 田振輝，譚惠豐，萬志敏，等.鋼絲簾線橡膠復合材料疲勞特性實驗研究［J］.復合材料學報，2001，18 (3):106－110.

［5］ 程鋼，趙國群，管延錦，等.輪胎橡膠材料力學性能試驗研究［J］.彈性體，2003，13(4):6－9.

［6］ 楊挺青，羅文波，徐平，等.黏彈性理論與應用［M］.北京:科學出版社，2004:4－5.

［7］ 金日光，華幼卿.高分子物理［M］.北京:化學工業出版社，2007:180－204.