ASTM D1056柔性多孔橡膠標(biāo)準(zhǔn)解讀及在北美屋頂單元機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王進(jìn)良

（特靈科技亞太研發(fā)中心，江蘇 太倉 215400）

0 引言

ASTM D1056是美國材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)針對(duì)柔性多孔橡膠編寫的標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)柔性多孔橡膠進(jìn)行了詳細(xì)的分類，規(guī)定了各等級(jí)橡膠所對(duì)應(yīng)的物理特性同時(shí)對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。與之對(duì)應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 6916，我國使用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 18944.1。

ASTM D1056 適用于柔性多孔橡膠產(chǎn)品如海綿橡膠和發(fā)泡橡膠，但不適用于乳膠泡沫橡膠或硬泡沫橡膠。柔性多孔橡膠根據(jù)孔結(jié)構(gòu)分為開孔和閉孔，它們的基材可以由合成材料、天然橡膠、再生橡膠或混合物制成，并可能含有其他聚合物或化學(xué)品，或兼而有之，可由有機(jī)或無機(jī)添加劑進(jìn)行改性而成。通常情況下，海綿橡膠為開孔，發(fā)泡橡膠為閉孔，這是由其制造工藝所決定的。在當(dāng)今的北美屋頂單元機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程中，為滿足不同環(huán)境和各種結(jié)構(gòu)和制冷性能的柔性多孔橡膠[1-2]被廣泛應(yīng)用，本文將對(duì)ASTM D1056中提及的內(nèi)容做一個(gè)基本的總結(jié)和解讀，并就如何在屋頂單元機(jī)中正確使用柔性多孔橡膠提出一些見解以供工程設(shè)計(jì)人員參考。

ASTM D1056從第一版開始至今已經(jīng)發(fā)展了50多年，有很多版本的迭代更新，最新版本為ASTM D056—2020，考慮到版本運(yùn)用的廣泛性且最近版本的更新變化不大，本文所述規(guī)范全部采用較新且廣泛使用的ASTM D1056—2014進(jìn)行討論。另外，ASTM還有一個(gè)和D1056非常類似的規(guī)范D1667，該規(guī)范額外附加了PVC閉孔泡棉的內(nèi)容，本文不作詳細(xì)討論。

1 柔性多孔橡膠分類

如圖1所示，柔性多孔橡膠的牌號(hào)通常是3位，由數(shù)字和字母的組成。第一位為數(shù)字，表示橡膠孔結(jié)構(gòu)類型；第二位為字母，表示對(duì)石油基的相對(duì)耐油性和耐高溫要求；第三位為數(shù)字，基于特定的壓縮擾度范圍來表示柔性多孔橡膠的硬度，共分為6個(gè)等級(jí)。另外，牌號(hào)后面還可以加上由字母A～Z的后綴，以滿足不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求。

圖1 牌號(hào)舉例

1.1 柔性多孔橡膠類型

如表1所示，ASTM D1056柔性多孔橡膠根據(jù)孔結(jié)構(gòu)分為兩類：1）開孔結(jié)構(gòu)。是指橡膠由孔結(jié)構(gòu)組成并一直延伸到橡膠表面，從視覺上看猶如海綿。2）閉孔結(jié)構(gòu)。是指橡膠由孔結(jié)構(gòu)組成但沒有延伸到橡膠表面層，視覺上看表面光滑，但是截面猶如海綿。

表1 柔性多孔橡膠類型

1.2 柔性多孔橡膠類別

如表2所示，類型1（開孔橡膠）和類型2（閉孔橡膠）分別又被分為A、B、C、D四種類別。在一些常用的柔性多孔橡膠材料中，三元乙丙橡膠或者丁苯橡膠屬于類別A；丁腈橡膠屬于類別B；氯丁橡膠屬于類別C；硅橡膠屬于類別D。將這些基材混合制造生產(chǎn)出來的新材料，也可以滿足不同類別所具有的屬性要求。

表2 柔性多孔橡膠類別

1.3 柔性多孔橡膠等級(jí)

每種柔性多孔橡膠的類型和類別又被分成以數(shù)字0～6為代表的6種等級(jí)，數(shù)字越小代表該等級(jí)的橡膠越軟。表3中壓縮數(shù)據(jù)是指壓縮材料厚度（1.5～3 mm）的25%后得到的數(shù)據(jù)，關(guān)于具體的柔性多孔橡膠樣本測(cè)試方法參見ASTM D412標(biāo)準(zhǔn)，此文不再詳述。

表3 柔性多孔橡膠等級(jí)

1.4 柔性多孔橡膠牌號(hào)的后綴

帶有后綴的牌號(hào)表示該柔性多孔橡膠除了滿足基礎(chǔ)性能外所能達(dá)到的額外測(cè)試結(jié)果的性能。其中一些后綴是代表通過了D1056標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的測(cè)試設(shè)定；另外，還有較多的后綴是由采購商和供應(yīng)商之間協(xié)商達(dá)成的測(cè)試設(shè) 定 ，而D1056 標(biāo)準(zhǔn)并沒有做出嚴(yán)格規(guī)定。后綴代表的含義如表4所示。

表4 柔性多孔橡膠牌號(hào)的后綴

以圖1所示牌號(hào)為例，后綴A1表示試件按照D1056標(biāo)準(zhǔn)的第16至第23章節(jié)的要求進(jìn)行老化測(cè)試，條件設(shè)定為在100 ℃的溫度下保持22 h后，試件需要滿足壓縮撓度變化不大于30%；后綴F3表示試件在D1056標(biāo)準(zhǔn)的第57至第61章節(jié)要求，試件在-40 ℃條件下保溫5 h，然后在2～3 s內(nèi)180°彎曲試件，試件仍能保持柔韌且無開裂現(xiàn)象。

具體后綴測(cè)試要求這里不再詳述，參見D1056 TABLE 3 ASTM Test Methods。

2 測(cè)試

D1056標(biāo)準(zhǔn)描述了部分柔性多孔橡膠的測(cè)試內(nèi)容，主要包含了如下幾個(gè)測(cè)試項(xiàng)目：1）一般物理測(cè)試要求。詳細(xì)內(nèi)容參見ASTM D3182及D3183標(biāo)準(zhǔn)。2）老化測(cè)試。具體測(cè)試方法參見ASTM D573標(biāo)準(zhǔn)，和D573標(biāo)準(zhǔn)描述不同的更改部分參見D1056標(biāo)準(zhǔn)的第16至第23章節(jié)。3）壓縮形變。此測(cè)試針對(duì)牌號(hào)后綴B討論，具體測(cè)試方法參見D1056標(biāo)準(zhǔn)第50至第56章節(jié)。4）流體浸泡。此測(cè)試針對(duì)牌號(hào)后綴E討論，具體測(cè)試方法參見ASTM D471標(biāo)準(zhǔn)和D1056標(biāo)準(zhǔn)第24至第34章節(jié)。5）低溫測(cè)試。此測(cè)試針對(duì)牌號(hào)后綴F討論，具體測(cè)試方法參見D1056標(biāo)準(zhǔn)第57至第61章節(jié)。

本文主要目的是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的解讀和在北美屋頂單元機(jī)中的應(yīng)用，故對(duì)具體測(cè)試內(nèi)容不再詳述。

3 北美屋頂單元機(jī)簡介

屋頂單元機(jī)在北美市場(chǎng)應(yīng)用非常廣泛，大量應(yīng)用于學(xué)校、商場(chǎng)、制造工廠、餐館等。根據(jù)需求，制冷量跨度也非常大，例如筆者就職的特靈公司，屋頂單元機(jī)制冷量跨度范圍為10.6～570 kW。同時(shí)，北美市場(chǎng)的空調(diào)系統(tǒng)在冬季除了采用熱泵制熱，還大量采用燃?xì)饧訜岷碗娂訜岬慕鉀Q方案。圖2為典型小噸位屋頂單元機(jī)，根據(jù)模塊功能不同，現(xiàn)將其分成A、B和C三個(gè)區(qū)域：1）區(qū)域A。區(qū)域A為屋頂單元機(jī)的回風(fēng)通道所在位置，回風(fēng)通道通常布置在蒸發(fā)器下部或者背面，以滿足不同客戶需求。該區(qū)域的左側(cè)端面也可安裝新風(fēng)系統(tǒng)（圖2未安裝新風(fēng)系統(tǒng)）。2）區(qū)域B。區(qū)域B為屋頂單元機(jī)送風(fēng)通道所在位置，同樣送風(fēng)通道可位于底部或者背面。該區(qū)域的上部為送風(fēng)風(fēng)機(jī)，中間為燃?xì)膺x項(xiàng)或者電加熱選項(xiàng)位置。區(qū)域A+B通常叫做屋頂單元機(jī)的室內(nèi)側(cè)。3）區(qū)域C。區(qū)域C為壓縮機(jī)、冷凝器、管路、冷凝風(fēng)機(jī)、控制盒等模塊和元器件的位置，這個(gè)位置通常叫做屋頂單元機(jī)的室外側(cè)。

圖2 北美屋頂單元機(jī)

4 柔性多孔橡膠在屋頂單元機(jī)中的應(yīng)用

柔性多孔橡膠的主要應(yīng)用為減震和密封，參考本文中關(guān)于柔性多孔橡膠分類中所列出的類型、類別、等級(jí)和后綴所述內(nèi)容。為了給設(shè)計(jì)工程師提供更直觀的參考，現(xiàn)列舉幾個(gè)常用柔性多孔橡膠材料在屋頂單元機(jī)中的應(yīng)用。

4.1 三元乙丙橡膠

三元乙丙橡膠[3]屬于類別A，不耐油，故不推薦任何與油脂、汽油和碳?xì)浠衔锶軇┙佑|的應(yīng)用。但是除此之外，三元乙丙橡膠擁有杰出的耐臭氧性、耐候性和耐老化性，所以特別適合在室外屋頂單元機(jī)上使用，不僅如此，三元乙丙橡膠的耐水性、耐酸堿性、耐氧化溶劑性和在低溫條件下的柔韌性也異常出色。最后，三元乙丙橡膠對(duì)冷熱水、乙二醇、蒸汽的耐受性和電絕緣性能也極其優(yōu)良。從以上的性能介紹可以看出，三元乙丙橡膠幾乎可以適用于屋頂單元機(jī)A/B/C任意區(qū)域的密封和減震，工程師選型只需要避開潛在油脂類污染區(qū)域，從成本角度考量后，在非關(guān)鍵區(qū)域使用成本較低的其它柔性多孔橡膠。

4.2 丁腈橡膠

丁腈橡膠屬于類別B。丁腈類化合物具有非常好的耐油性、滲透性、耐熱性和耐磨性。化合物配方中使用的丁腈比例越高，則耐堿、耐酸的性能越好。丁腈橡膠必須經(jīng)過添加抗氧化劑等成分的特殊復(fù)合，才能抵抗臭氧、陽光和自然老化，并且對(duì)含氧溶劑的抵抗力較差。丁腈橡膠在耐油性和耐溶劑性方面優(yōu)于氯丁橡膠，但不建議在暴露于惡劣風(fēng)化的情況下應(yīng)用。因此，在屋頂單元機(jī)的設(shè)計(jì)中，工程人員應(yīng)該盡量避免丁腈橡膠用于機(jī)器外部的密封、振動(dòng)及區(qū)域C中使用，如果在B區(qū)域使用，如果靠近溫度較高的燃?xì)饣蛘唠娂訜崮K，也要考慮特定供應(yīng)商制造的丁腈橡膠的極限耐高溫是否滿足設(shè)計(jì)需求。

4.3 丁腈聚氯乙烯混合

丁腈橡膠和PVC的結(jié)合增加了著色能力，提高了耐磨性和抗撕裂性，降低了氣體滲透性。此時(shí)的丁腈橡膠和聚氯乙烯化合物獲得了額外的抗臭氧和抗紫外線能力，PVC的加入也增加了柔韌性，但耐候性還是較差。故可將丁腈橡膠/聚氯乙烯看作丁腈橡膠的升級(jí)產(chǎn)品，在屋頂單元機(jī)中的應(yīng)用范圍比單丁腈橡膠更廣，例如，因其具有更好的耐磨性，所以可在經(jīng)常需要拆卸的密封門板間廣泛應(yīng)用。但不建議將丁腈橡膠/聚氯乙烯用于需要阻燃性的模塊應(yīng)用，例如燃?xì)夂碗娂訜崮K、電控箱等位置。

4.4 氯丁橡膠

氯丁橡膠是一種出色的多用途彈性體，屬于類別C，其綜合性能較為均衡，具有良好的抗沖擊和抗撕裂性，對(duì)油脂具有適度的耐受性，還有良好的阻燃性。并且這種材料也具有良好的耐候性、非常好的耐磨性、抗撓曲開裂、耐堿性和耐酸性好。然而，氯丁橡膠對(duì)芳香族和含氧溶劑的耐受性較差，它在低溫下的柔韌性有限，并且在壓縮形變方面存在局限性，其在屋頂單元機(jī)中的應(yīng)用不是很多，帶有新風(fēng)系統(tǒng)區(qū)域A和室外側(cè)區(qū)域C，其性能容易受到低溫影響。所以在屋頂單元機(jī)的應(yīng)用中，室內(nèi)側(cè)區(qū)域B中會(huì)適量應(yīng)用，但是考慮其耐高溫性并不是特別突出，所以建議盡量遠(yuǎn)離燃?xì)夂碗娂訜崮K。

4.5 硅橡膠

硅橡膠屬于類別D，其性能出類拔萃，集以上介紹各種橡膠的優(yōu)點(diǎn)于一身并且很多參數(shù)大幅超越，還可根據(jù)特殊需求把透明度做得很高。考慮到其價(jià)格昂貴，在北美屋頂單元機(jī)中幾乎沒有應(yīng)用，故此不作詳細(xì)介紹。

4.6 類型應(yīng)用偏好

由1.1節(jié)可知，柔性多孔橡膠類型有開孔和閉孔之分，在屋頂單元機(jī)的應(yīng)用主要注意以下幾點(diǎn)：1）吸水率考量。一般情況下，開孔柔性多孔橡膠吸水率大大高于閉孔柔性多孔橡膠，如果工作環(huán)境中經(jīng)常會(huì)有水出現(xiàn)，將導(dǎo)致柔性多孔橡膠一直處于吸水飽和后的膨脹狀態(tài)，長時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致橡膠物理性能下降，影響密封。因此，對(duì)于在有雨水浸泡影響的機(jī)器外表面零件之間的密封，建議使用閉孔柔性多孔橡膠。另外，在屋頂單元機(jī)的區(qū)域C，由于蒸發(fā)器制冷產(chǎn)生大量冷凝水，因此在此區(qū)域通常使用閉孔柔性多孔橡膠。2）氣體滲透率考量。開孔柔性多孔橡膠一般具有更好的氣體滲透能力，所以在選型作為隔絕一氧化碳、一氧化氮等有害氣體的密封功能時(shí)，通常使用閉孔柔性多孔橡膠，例如區(qū)域B的燃?xì)饽K。3）成本或其它因素考量。