Способ определения долговечности эластомеров Советский патент 1993 года по МПК G01N3/18 G01N17/00 

Изобретение относится к способам определения долговечности резиновых техни- ческих изделий и эластомерных покрытий, работающих при воздействии натурных условий эксплуатации, и может быть использовано для установления гарантийных сроков службы эластичных покрытий поверхностей аппаратов химических производств и другого оборудования и изделий.

Долговечность резины т, в соответствии с ГОСТ 9.713-86 (метод прогнозирования измерения свойств при термическом старении), определяется временем, в течение которого коэффициент старения резины по прочности KCT или относительному удлинению К Ј достигает величины 0,5 (прототип). Этот метод включает в.себя: проведение старения при различных повышенных температурах образцов резины в свободном

состоянии в течение различных сроков от нескольких часов до нескольких месяцев: последующее их испытание на растяжение при комнатной температуре через определенные заданные сроки старения, расчет К а или Kg: расчет энергии активации ЕСТ в зависимости от KGT или Kg; определение долговечности при заданных условиях эксплуатации как функцию от Ест. Метод широко применяется на практике/но является трудоемким и длительным, требует значительного количества материала (для установления гарантийного срока службы одной резины необходимо 0,5 года и 250 пластин из этой резины размером 120 х 140 х 2 мм). При этом установлено, что для всех объектов исследования эффективная долговечность соответствующая условиям разрушения образцов на разрывной машиVI

Ю

- v|

СЛ

со

не гэф принималась равной «1 с, а параметр Uo рассчитывается по формуле (1).

Uo Гэф/Го

13,

где Г0-константа, равная для волокон 10 , То-температура, определяемая экстраполяцией экспериментальной зависимости о-(Т).

Цель изобретения - значительное сокращение срока определения долговечности резин, применяемых для изготовления резинртехническйх „изделий и покрытий. Положительный эффект изобретения состоит в сокращении времени определения долговечности до 40-60 ч, т.е. в 30 раз по сравнению с прототипом, и достигается за счет проведения термоокислительной деструкции, при этих же, что и в ГОСТ9.713-86, температурах, но при дополнительном наложении поля растягивающего механического напряжения, что ускоряет деструктивные процессы в образцах и значительно сокращает время оценки энергии активации процесса, а следовательно, и определения долговечности материала. Цель достигается органическим соединением в один способ конкретного вида впервые установленной аналитической зависимости между Ест полученной на базе обширно- то статистического материала по определению долговечности резин различного рецептурного состава по ГОСТ 9.173-86, с усовершенствованной и впервые примененной для эластомеров экспресс-методикой определения Do. содержащей новые существенные приемы, действия и режимы. Способы определения долговечности эластомеров включает экспресс-методику установления значений энергии активации Do при одновременном воздействии на образец тепла, кислорода воздуха и механического растягивающего напряжения при испытаниях на стандартных разрывных машинах с термокамерой, С этой целью выбирают необходимые температурно-временные режимы испытаний. Образцы в форме двойной лопатки с размером рабочей части 10 х х 1 х 1 мм предварительно до начала деформирования термостатируются при каждой температуре испытания в течение времени, обеспечивающего равномерный прогрев по всему объему образца, т.е. равенство температуры в термокамере у поверхности образца и в объеме термостатируемой резины. Оно выбирается опытным путем с помощью снятия зависимости разрушающего напряжения от времени термостатирования, определения времени, при котором эта

10

15

20

зависимость выходит на плато, и было зафиксировано при всех температурах равным 8 мин. Интервал температур испытаний включает в себя интервал температур старения, рекомендуемых ГОСТ 9.713-86 для каждого типа этастомера. Предварительно для испытуемого эластомера устанавливают температуры релаксационных переходов, а последующее растяжение осуществляют не менее, чем при 6 температурах соответствующего межрелаксационного интервала. Зависимость а (Т) в межрелаксационном интервале представляет собой линейный участок ломанной линии, что позволяет применить формулу (1), вытекающую из форму- лы Журкова, для оценки значений параметра Uo эластомеров. При этом гь - константа, равная для эластомеров 10 с, а эффективная долговечность гэф в условиях испытания на разрывной машине, когда нагрузка на образец постоянно возрастает, рассчитывается по формуле (2);

Тзф 3,7 10

Т„

т0-т„

(2)

0

5

0

5

0

где Тн - температура начала интервала, в котором определяется;

Т0 - температура, определяемая линейной экстраполяцией о(Т);

К 0 0 в межрелаксационном интервале температур;

г- время деформации образца до разрыва..

Однако, формула (2) справедлива лишь для случая линейности диаграммы растяжения а - е. Поэтому был произведен специальный выбор режимов деформирования, обеспечивающих линейность о - е в области испытуемых температур (скорость перемещения захватов 5 мм/мин, зажимная длина - 10 мм, скорость деформирования образца 8, ). Дополнительным свидетельством неизменности структуры эластомеров при найденных условиях их испытаний, а следовательно, и правомочности использования формул (1, 2) служили значения коэффициента Пуассона ft равные 0,5. Подобранным режимам соответствовало время деформирования эластомеров до разрушения t равное 100-400 с и гэф равная 2-50 с. Разрушающее напряжение О определялось из выражения

55

а оь(1+е)3

(3)

где Ob - прочность, рассчитанная на исходное сечение образца МПа;

е - относительное удлинение при разрыве, %;

Ц - коэффициент Пуассона, равный для резин 0,5.

За результат при каждой температуре принималось среднеарифметическое значение показателей оъ а вычисленное из 5 независимых испытаний. Погрешность определения а при каждой из температур не превышало 3-5% с надежностью 0,95. Зна- чения 00 найденные с помощью разработанной экспресс-методики, во всех случаях совпадают с тонкостью ±2 кДж/моль со значениями ЕСт определенными по ГОСТ 9.713-86, продолжительность определения U0 составляет 40-60 ч.

На основании экспериментального материала, полученного с помощью ГОСТ 9.713-86, по долговечности резин различного рецептурного состава, установлена эмпи- рическая зависимость

г 102 U0 + /3 gUo/RT

где - коэффициенты, равные

(4)

Of - 0,111 ± 0,001 и /$ - 3,687 ± 0,05

Функция 1дА(ЕСт) а Ест + Р в точках Ест{0), Ест(1)...Ест(т) аппроксимировалась многочленом вида ах + в по методу наименьших квадратов. Отклонения значений IgA рассчитанных по предлагаемой формуле с указанными а и/ от экспериментальных значений IgA изменяющихся от -12,4 до - 17,1 не превышала 0,2.

Таким образом, продолжительность определения долговечности резины лимитируется бременем установления значения U0 для нее и составляет не более 5 дней вместо 0,5 года по ГОСТ 9.713-86, при этом требуется 1/2 пластины размером 120x140x1 мм вместо 250 аналогичных пластин при использовании методики прототипа. По срав- нению с прототипом предложенный способ определения долговечности отличается новизной, т.к. содержит новое техническое решение, состоящее в кратковременной выдержке и испытании образцов при новы- шенных температурах, когда термоокислительное воздействие и механическое напряжение соединены в одном непрерывном процессе.

Изобретение иллюстрируется следую- щими примерами.

П р и м е р 1. Определение долговечности резины марки 51-2190 на основе каучука наирит КР. Поскольку;согласно ГОСТ 9.713- 86, старение этот класса эластомеров рекомендуется проводить в интервале температур от 55 до 125° С, зависимость о(Г) исследовалась в том же температурном интервале. Установлено, что в этом интервале температур имеется один релаксационный переход при 45° С, поэтому обрабатывались результаты испытаний при 7 температурах: 54,60. 66.72,78,84 и 90° С. Относительное удлинение при разрыве для всех 7 температур изменялось незначительно (Ј a const) и составляло 50%. Отсюда время до разрушения t при зажимной длине 10 мм и скорости растяжения 5 мм/мин составляло 60 с. Рассчитанные значения разрушающего напряжения при 7 температурах укладывались на прямую в координатах eft экстраполяции которой на ось температур давала значение температуры нулевой прочности То - 96° С. Значение рассчитывалось по формуле (2)

,7 10

327

369 - 327

60 17 с

v«

То принимается равным 10с.

Параметр Do рассчитывается по форму- ле(1),

U0 Rtn 17

о

10

-12

Т0 0,253.369 - 93 кДж/моль.

Полученная величина Uo по значению близка к энергии активации процесса теплового старения по ГОСТ 9.713-86 (Ест - 92 кДж/моль). Значению U0 равному 93 кДж/моль. соответствует согласно формуле (4) следующее значение долговечности т

,.„„0 - 1П 0,1115 93 3.687 . 93/2.47в t-25 - IU. с

- Ю К1 2,05 1016 - 2,05 1019 года.

Долговечность резины 51-2190 на воздухе при 25° С по ГОСТ 9.713-86 равна 120 лет, т.е. имеет место хорошее совпадение г, получаемых по предложенному способу и по ГОСТ 9,713-86. Время подготовки 35 образцов 2 ч, время снятия зависимости о(Т) - 36 ч, расчеты 1 ч. Таким образом, время определения долговечности не превышало 40ч.

П р и м е р 2. Определение долговечности резины марки 51-2195 на основе каучука наирит КР. Температура релаксационного перехода - 50° С. Условия проведения испытаний: при 5 температурах (54, 60, 66, 72 и 78° С) произведены испытания на разрыв по 5 образцов в тех же условиях, что и в примере 1. При этом были получены следующие данные для расчёта долговечности:

Т -80°С, е-26%, t-31 с, гэф-3.7 10 3533 327-31 14с.

г0- 1012 с, Uo -8,31.103 In -,

10

12

То - 0,251.353 - 89 кДж/моль.

Полученная величина U0 по значению совпадает с энергией активации теплового старения по ГОСТ 9.713-86 (ЕСТ - 89 кДж/моль). та5о jQ-0,1115 89 -3,687 . е89/2,47в

- Ю 13 81 4,1 1015 - 4,1 24 54 -101 год.

Долговечность резины 51-21095 по ГОСТ 9.713-86 на воздухе при 25° С равна 30 105 лет, т.е. в этом примере также наблюдается хорошее соответствие г, получаемых по разработанному способу и по ГОСТ 9.713-86. Время определения долговечности составляло 35 ч.35

5

10

15

0

5

0 5

Формула изобретения

Способ определения долговечности эластомеров, при котором образцы испытуемого эластомера растягивают при повышенных температурах Т, замеряют время до разрушения и определяют энергию Uo активации, с учетом которой судят о долговечности, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, предварительно для испытуемого эластомера определяют температуры релаксационных переходов, растяжение осуществляют при температурах, лежащих внутри межрелаксационного интервала температур, скорость растяжения выбирают иэ условия обеспечения разрушения образцов базой 10 мм через 100-400 с, энергию активации определяют по формуле

Uo-ToRIn Гзф/Го,

где г0 10 12с;

Тэф эффективней долговечность материала в условиях испытания;

R - универсальная газовая постоянная;

То - температура, определяемая линейной экстраполяцией кривой а - Т в межрелаксационном интервале температур, а о долговечности судят по формуле

r 10pr-u0+ЈeUo/RT

г два и/ - коэффициенты, равные Of- 0,111 ± 0,001 и Ј- - 3,687 ± 0,05.

Изобретение относится к методам прогнозирования сроков службы резиновых технических изделий и эластомерных покрытий, работающих при воздействии натурных условий эксплуатации. Цель изобретения - повышение производитель ности. Предварительно дли испытуемого эластомера определяют температуру релаксационных переходов, затем осуществляют растяжение образцов при повышенных температурах, лежащих внутри межрелаксационного интервала температур, скорость растяжения выбирают из условия обеспечения разрушения образцов базой 10 мм и через 100-400 с, энергию активации определяют по формуле Uo ° ToRIn гэф/г0, где г0 с; Гэф - эффективная долговечность материала в условиях испытания; R - универсальная газовая постоянная; Т0 -температура определяется линейной экстраполяцией кривой а-Т в межрелаксационном интервале температур, а о долговечности судят по формуле г 10 и° +P eUo/RT. где а и ft - коэффициенты, равные OF--0,111 ±0,001, -3,687 ± 0,05. v I