{首页主词},&

第四章氯丁橡膠材料在大氣環境中的腐蝕行為

2020-05-18 11:37:15 作者：本網整理來源：中國腐蝕與防護網分享至：

4.1前言

高速鐵路系統與高端材料科學的迅速發展相互促進，在我國高鐵快速發展過程中，大批高性能材料與新型材料集成應用構成其研發與運營的基礎，如：車體材料采用輕質高強的不銹鋼和鋁合金，車頭等特殊部位采用更高強度的復合材料；高強度轉向架采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼等制造；在高速列車車體，尤其是車的風擋、側窗等部位，大量采用粘接材料直接粘接工藝。高分子橡膠材料在動車系統得到了廣泛應用，在使用過程中跨越我國多個地區，面對錯綜復雜復雜的氣候環境，如物理因素光、電、熱等，化學因素氧、臭氧、化學介質等因素都對橡膠老化產生了不同程度影響，然而目前對橡膠材料的在大氣環境老化行為研究基本都是在單一氣候環境下或者室內加速腐蝕試驗老化后行為研究，因此在我國多個大氣環境站點開展橡膠材料大氣老化腐蝕行為研究，通過對各大氣站點暴曬后試樣微觀形貌、力學性能分析、表面紅外光譜分析并結合已有老化數據采用灰色關聯度統計法分析橡膠材料老化行為與氣象因子了關聯性為積累老化數據以及對后期橡膠材料壽命預測模型的建立都具有重要意義。

4.2形貌分析

各大氣試驗站暴曬2年后表面老化三維形貌如圖4-1、4-2，由圖可知，對各站點老化后的形貌評價如表4-2，綜合分析，橡膠試樣老化后表面變粗糙、布滿大量取向各異的網絡狀裂紋和大量孔洞，裂紋交匯處間距較大；沈陽、武漢、尉犁、北京試驗后試樣表面裂紋間隙夾雜有大量灰塵。對各站點裂紋寬度進行評定，見表4-1，平均裂紋寬度大小：漠河>青島>萬寧>北京>廣州>武漢>江津>沈陽>尉犁，橡膠試樣表面出現間距大小不同、方向各異的裂紋是在受不同大氣環境下日照輻射、溫度、濕度等環境因素交替變化影響產生。

4.3力學性能分析

試驗采用性能變化率？P%評價老化前后力學性能的變化：

式中，P0為原始試樣的性能初始值；P為老化后試樣的性能測定值；？P%為性能變化率。

老化時間對各站點橡膠拉伸性能的影響見圖4-3（a），可以看出隨著老化時間的延長，試樣拉伸強度在沈陽站增加1.062%；廣州、江津、萬寧、尉犁的拉伸強度表現出先升后降的趨勢，在0.5年時拉伸強度達到最大值，與未老化試樣相比增加4.309%、2.415%、1.468%、1.129%，然后隨老化時間的延長逐漸下降，青島站在1年時達到最大值，增加3.97%，然后呈現下降趨勢；沈陽、北京、武漢站點先升后降再升，但總體呈現下降趨勢，沈陽在1年達到最大值，北京、武漢在0.5年達到最大值；各站點試樣兩年后拉伸強度大小排序：沈陽、武漢、青島、北京、江津、尉犁、廣州、萬寧。

各站點老化前后斷裂伸長率隨時間變化如圖4-3（b）所示，武漢、北京、江津、沈陽等站點呈現出先升后降趨勢，廣州、青島、萬寧、尉犁等站表現出隨時間變化下降趨勢，且下降趨勢前期0.5年平緩，0.5年后下降斜率增加，漠河站中間出現了一個上升趨勢，但總體各站點2年老化后斷裂伸長率呈現下降趨勢，與原始試樣相比萬寧站下降幅度最大達到36.873%，各站點兩年老化后斷裂伸長率變化順序依次為：萬寧、廣州、江津、尉犁、武漢、青島、北京；暴露2年后各站點試樣拉伸強度、斷裂伸長率大小均都出現現降低趨勢。分析原因可能在于橡膠材料首先發生交聯反應，然后隨老化時間延長表面產生大量微裂紋，在拉伸過程中由于裂紋產生集中集中應力所致。

各站點老化時間對橡膠材料硬度變化率的影響如圖5-4所示，由圖可知各站點硬度值變化率隨時間延長，表現出上升趨勢；其中萬寧站、江津站上升趨勢逐漸放緩，2年后硬度值與原始樣比增加15.7%，所有站點中上升幅度最大；廣州、武漢、尉犁、北京、沈陽、漠河等站硬度值變化率在1年時達到最值，隨后減緩，其中漠河站硬度值變化率最小在10.54%；各站點硬度值變化率順序：萬寧、廣州、武漢、江津、尉犁、北京、沈陽、漠河；硬度指標可以衡量材料表面抵抗機械壓力能力大小，大分子交聯對高分子材料的硬度起主要作用，交聯密度越大硬度越高，可以推測各站點試樣交聯密度大小隨時間延長上升。

4.4紅外圖譜分析

圖4-5、4-6為老化前后試樣表面的FTIR圖，從圖中可以看到橡膠材料老化前的7個特征峰，其中2955cm-1和2915cm-1對應于高分子鏈骨架上亞甲基中碳-氫鍵的不對稱伸縮振動νas（CH2），2848cm-1對應于亞甲基中碳-氫鍵的對稱伸縮振動νs（CH2），1462cm-1對應于亞甲基中碳-氫鍵的剪式彎曲振動δCH2,1373cm-1對應于甲基中碳-氫鍵的對稱彎曲振動δs（CH3），719cm-1對應于亞甲基中碳-氫鍵的搖擺彎曲振動γ（CH2）n（n≧4），橡膠試樣在各站點暴曬2年后的FTIR圖，與老化前吸收曲線相比可以看出，亞甲基特征峰1462cm-1、719cm-1消失，甲基特征峰1203cm-1、1276cm-1、1373cm-1、3245cm-1消失，亞甲基特征峰2955cm-1和2915cm-1、2848cm-1吸收峰值明顯減小；試樣在各站點老化2年后在1000～1057cm-1處有吸收峰形成（對應于脂肪酸中C-O-C的伸縮振動νC-O-C），綜合分析各站點老化后表面有脂肪酸的生成。

4.5橡膠材料力學性能灰色關聯度分析

以高分子橡膠材料在戶外各站點（萬寧、廣州、江津、尉犁、武漢、青島、北京、漠河、沈陽）暴曬0.5年、1年、2年三個周期實驗后的拉伸強度、斷裂伸長率和硬度值作為參考數列（母因素），以各試驗站點主要環境因子氣象數據（表4-2所示，）構成比較數列（子因素），利用灰色關聯度分析方法分析計算國內各主要站點環境氣象因子與橡膠材料老化行為的關聯性。

按照公式2-4、公式2-5依次對數據做均值化預處理，和灰色關聯度的計算，高分子橡膠材料在戶外各站點（萬寧、廣州、江津、尉犁、武漢、青島、北京、漠河、沈陽）暴曬0.5年、1年、2年三個周期實驗后的拉伸強度、斷裂伸長率和硬度值與各試驗站點主要氣象環境因子關聯度計算結果如表4-7、4-8、4-9所示。

從表4-7可以看出，關聯度計算結果表明，對橡膠件拉伸性能影響的環境氣象因子排序：年均濕度>日照時間>年輻照總量>年均溫度>年降雨量（0.5年、1年、2年），從表5-8可以看出，橡膠件斷裂伸長率性能影響的環境氣象因子關聯度大小排序：年均濕度>年輻照總量>日照時間>年均溫度>年降雨量（0.5年），年均濕度>日照時間>年輻照總量>年均溫度>年降雨量（1年、2年），年均濕度成為影響斷裂伸長率性的第一因素，日照時間因素隨時間延長表現出增加趨勢。從表4-9可以看出，影響橡膠件硬度值的環境氣象因子關聯度大小排序：年均濕度>日照時間>年輻照總量>年均溫度>年降雨量（0.5年、1年、2年）。綜合分析結果表明，影響橡膠件主要氣象因素是年均濕度、日照時間和年輻照總量，其中年均濕度影響最大，年降雨量影響最小，研究表明，橡膠材料降解后分子鏈產生自由基的主要原因是光與熱引發的熱氧老化和光氧老化，水可以沖刷掉表面積累的老化產物和灰塵、與光（熱）氧老化反應耦合產生協同老化作用、干濕交替下促進老化，也可以因形成的水膜反射陽光，降低溫度從而減緩老化。各環境因子與老化性能關聯度從0.5年到2年是呈現出先升高后降低趨勢，其中第一周期為一年中前半年，掛樣周期內光和熱等氣象因素較全年高，從而表現出老化性能與氣象因子關聯度大于1年和2年現象。

4.6本章小結

（1）橡膠試樣在戶外各站點暴曬2年后分析表明：試樣表面粗糙度提高，且布滿大量取向各異、網絡狀的裂紋。對各站點暴曬后試樣裂紋寬度進行評定，平均裂紋寬度大小次序：漠河>青島>萬寧>北京>廣州>武漢>江津>沈陽>尉犁。

（2）通過對戶外暴曬后三個周期試樣力學性能分析，結果表明，試樣在各站點暴曬2年后拉伸強度大小排序：漠河>沈陽>武漢>青島>北京>江津>尉犁>廣州>萬寧；斷裂伸長率大小順序依次為：萬寧、廣州>江津>尉犁>武漢>青島>北京>漠河；硬度值變化率順序：萬寧>廣州>武漢>江津>尉犁>北京>沈陽>漠河。試樣在各站點暴露2年后拉伸強度、斷裂伸長率均呈現降低趨勢，硬度值變化率隨時間延長，表現出上升趨勢，分析表明橡膠材料暴曬后初期老化過程老有部分基團發生了交聯反應，之后隨老化時間延長發生基團鏈的斷裂反應，期間伴有交聯密度隨時間延長上升的過程。

（3）橡膠試樣在戶外各站點暴曬2年后紅外分析表征，亞甲基特征峰2955cm-1和2915cm-1、2848cm-1、1462cm-1、719cm-1顯著峰值減小；各站點老化后試樣在各站點老化2年后在1000～1057cm-1處有吸收峰形成（對應于脂肪酸中C-O-C的伸縮振動νC-O-C），綜合分析各站點老化后表面有脂肪酸生成。

（4）灰色關聯度計算綜合分析結果表明，橡膠材料老化性能與主要氣象因素關聯度大小排序依次是年均濕度>日照時間>年輻照總量>年均溫度>年降雨量，其中年均濕度影響最大，年降雨量影響最小，各環境因子與老化性能關聯度從0.5年到2年是呈現出先升高后降低趨勢。

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。