RPA 2000在TPU密封材料筛选中的应用

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聚氨酯工业

POLYURETHANE INDUSTRY

2018年第33卷第2期

2018.V〇L33 No.2 RPA 2000在TPU密封材料筛选中的应用

吴斌叶素娟谭锋刘建红

(广州机械科学研究院有限公司广州51〇7〇0)

摘要：采用RPA2000型橡胶加工分析仪对热塑性聚氨酯弹性体(TPU)进行温度扫描、应变扫描 和应力松弛扫描，研究了 4种备选TPU密封材料的抗形变性能、温度耐受性、疲劳耐受性、内生热、加工性能以及尺寸稳定性。研究表明，其中TPU-1是具有最优性能的聚氨酯弹性体密封材料。

关键词：橡胶加工分析仪;热塑性聚氨酯弹性体;密封材料;动态热机械性能

中图分类号：T Q 333.95 文献标识码：A文章编号：1005-1902(2018)02-0020-04

热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是一种由软段和硬 段构成的线性多嵌段共聚物,软段和硬段存在热力 学的不相容性，容易在聚集态结构上形成相分离，通 常被称为“微相分离”[1_3]。独特的化学构成和聚集 态结构赋予了 TPU材料较好的弹性、耐磨性、耐油 性以及机械性能，被广泛地应用于液压密封[4_6]。通常，在筛选液压密封用TPU材料时,TPU材料的 抗形变能力、温度耐受性、耐疲劳性能和内生热性能 等这些影响密封圈密封效果和使用寿命的重要因素 很难通过单一的试验仪器来考察。

本研究采用RPA2000橡胶加工分析仪对TPU 材料的温度、应变和应力松弛等多种因素进行扫描，提供被测TPU的储能模量（G')、损耗模量（G")、损 耗因子(taiiS)以及扭矩保持率等重要参数[7]。通过 相关测试，可以评估被测TPU的抗形变能力、温度 耐受性、耐疲劳性能、内生热性能以及加工性能，为 TPU密封材料的选用提供参考。

1实验部分

1.1材料及处理工艺

选取了供应商提供的4种备选TPU材料，分别 命名为TPU-l、TPU-2、TPU-3和TPU-4,这4种备选 TPU材料的性能如表1所示。

TPU颗粒在120 ^烘箱除水6 h,于190~ 210 T下注射成型，得到尺寸为10 mmXlO m m X2mm的注塑试片，注塑试片于120 t烘箱熟化处理16 h，再

表1 4种TPU材料的性能表

材料名称TPU-1TPU-2TPU-3TPU-4

邵A硬度92939494 100%定伸模量/MPa12. 113. 113.113.6

拉伸强度/MPa36.038.536.938. 1

断裂伸长率/%507501518525

撕裂强度/kN.rrT1120120126121

在室温放置7 d,然后裁剪为5 m m X5 m m X2 m m的

测试样品，用RPA2000橡胶加工分析仪进行测试。

1.2仪器设备

烘箱，FA101-4型，广州上工热工设备有限公

司;注塑机，M A900/260型，海天塑机集团有限公

司；橡胶加工分析仪，RPA 2000型，美国Alpha Technologies公司。

1.3分析测试

测试条件:190丈保温2 min,保证TPU试片完

全充满模腔，降温至40冗待温度稳定后开始测试。

⑴温度扫描:测试温度40 ~ 180丈，温度梯度为10

频率1.0 Hz，应变振幅7%; (2)应变扫描:应变

振幅0.28%~ 42%，试验温度60 T；，频率1.0 Hz;

(3)应力松弛扫描:应变振幅42%，试验温度80丈，

弛豫时间120 s。

2结果与讨论

2.1温度扫描

温度是影响TPU液压密封件使用的关键因素，

基金项目:广东省省级科技计划项目“高速高压高可靠油缸用橡塑密封件的开发与应用研究”（2015B090923003);国家 工业和信息化部“高端橡塑密封元件研发检测服务平台（T C150B5C0-42) ”项目资助。

第2期

吴斌，等• RPA 2000在TPU 密封材料筛选中的应用

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模量变化率的影响，结果见图2。

图2温度对储能模量变化率的影响

当储能模量变化率(dG 7d 7〇大于0时，储能模 量-温度曲线对应为上升区;当储能模量变化率等于 〇,储能模量-温度曲线为平台区;当储能模量变化率 小于〇时，储能模量-温度曲线对应为下降区。在相 同试验条件下，平台区最高界限温度越高，上升区和 平台区对应的范围就越大,TPU 的耐热性就相对越 好。由图2可以看出，TPU -1的温度耐受性最好，平 台区最高界限温度大于125 T ;其次是TPU -4,平台 区最高界限温度大于109 ^。

综合而言，由TPU -1聚氨酯材料制造的密封件 具有更高的使用温度和最好的使用性能。

2.2应变扫描

TPU 液压密封圈在使用过程中，由于摩擦力、 机械振动、驱动压力和噪音等的存在，会使密封圈变 形[13]。通过对TPU 进行应变扫描，可以得到随应 变变化的e '和损耗因子tanS ，以此考察备选TPU 材 料的抗疲劳性能和内生热情况。图3为储能模量- 应变曲线，图4为损耗因子-应变曲线。

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

应变/%

图3应变对储能模量的影响

由图3可以看出，TPU 的G '随着应变的增加而 剧烈下降，特别是在应变小于5%时，TPU 的G '急剧 下降。应变对TPU 的G '的影响与IP U 的化学结构

I ____|___|____|______|____|____|____I

40 60 80 100 120 140 160 180

温度/丈

图1温度对储能模量的影响

由图1可以看出，储能模量-温度曲线可以大致 分为上升区、平台区和下降区，平台区最高界限温度 数值越大，表明TPU 的温度耐受性越好;储能模量 越高，表明TPU 抵抗温度形变的能力相对越强。温 度在100 T 以下时，TPU -3的储能模量最高，抵抗形 变的能力最强;温度在120冗以上时，TPU -4抵抗形 变的能力最强。TPU -1具有较好的储能模量保持 率，在120丈以上时，其储能模量优于TPU -2;在133 冗以上时，其储能模量优于TPU -3;40丈与165 ^ 的储能模量相当，具有最优的储能模量保持率。为了方便对各区进行识别，对G '求r 的一阶导 数，作储能模量变化率-温度曲线，考察温度对储能

随着温度的升高，TPU 发生软段结晶的熔化和氢键 的解离，随着温度的进一步升高，材料会发生结构上 的热失稳，表现为模量下降和材料软化等[8]。储能

模量(G ')是指材料存储弹性变形能量的能力，表征 的是材料变形后回弹的指标[9]，可以理解为材料在 动态使用过程中阻止材料失稳的有效部分。储能模 量与备选TPU 材料的相对分子质量、化学结构、机 械性能以及聚集态结构等密切相关[1°]。

在筛选TPU 密封材料的时候，G '的保持率比G ' 的实际值更具有参考意义，良好的G '保持率可以使 密封件使用时的实际情况与设计的使用情况更加接 近。当使用温度高于70 T 时，TPU 材料中由氢键 形成的物理交联点就逐渐减弱并解离[11];当温度高 于100~120 T 时,TPU 材料中由微量脲基甲酸酯形 成的化学交联点开始逐步降解[12]。因此，在温度高 于110丈时的储能模量变化情况更能反映TPU 材 料的化学结构优异性和温度耐受性。通过TPU -1~ TPU -4的温度扫描试验，考察温度对储能模量的影 响，如图1

所示。