Page 55 - 《橡塑技术与装备》2024年2期

理论与研究 王桂林 等·橡胶热拉伸应力测量与影响因素研究

1），测试区厚度 (2.0±0.2)mm，测试区长度（100±0.5） 据结果与 Hong C.K 得出的尺寸变化与热拉伸应力变
mm，样品符合 ISO12493:2017。 化负相关的规律一致 [5] 。相对于传统的尺寸测量，热
拉伸应力值测量更易于实现且具有更高的精度，研究
者可优先选择热拉伸应力测试来预估橡胶尺寸变化。
图 3 中的热拉伸应力曲线波动变化反映了橡胶材
料的熵弹性、应力松弛行为、热膨胀行为共同影响下
尺寸变化。在曲线中热拉伸应力上升阶段，试样受热
收缩反常现象主要贡献来源于高聚物熵弹性，其特征
如图 4 所示 ：样品被拉伸时，聚合物分子链伸直，分
子链沿着拉伸方向取向，体系的构象数减少，体系的
图 1 高低温视频引伸计 - 电子万能材料试验机
熵减小，当被迅速加热时，升温利于分子链运动，体
1.5 测试 系的混乱度增加即熵增加，产生更多的构象数，导致
热拉伸应力参照 ISO12493:2017 标准进行测
分子链趋向于恢复卷曲状态，具体表现为橡胶试样收
试， 以 40% 应变为 例，使用 Instron-5966 拉力机 [7~8]
缩，应力增加 。样品持续在高温环境下，应力松
TestProfiler 测试程序，测试方法如下所示 ：在标准
弛在高温下变化加剧，松弛力与收缩力相互抵偿，导
实验室温度下，将试样安装在夹具中，以（20±2.5）
致曲线中热拉伸应力随时间逐渐降低。
mm / min 的速度将其拉伸至所需的预应变，将试样保
持在恒定的预应变下，直到由预应变产生的预应力达
到表观平衡值，时间约需 30 min（图 2）。然后，重新
将测力传感器归零，并以一定的速率升温至所需的试
验温度，在试验温度下保持 30 min。
试验数据采集温度、力值、时间、尺寸。为减少
升温阶段升温速率对数据的影响，文中无特殊描述，
皆采用最大升温速率 40 k/min。竖向尺寸变化为由视
频引伸计自动记录，横向尺寸变化通过引伸计摄像机
抓拍图片测量得出。热拉伸应力数据采用 Origin 软件
中三次 B 样条方法进行插值，平滑因子设为 0.000 5。

图 3 天然胶在高温和常温下的应力行为

图 2 电子万能材料试验机 TestProfiler 方法设置

2 结果与讨论
2.1 拉伸橡胶的热拉伸应力行为
图 3 为 40% 预应变下，硫化橡胶在常温和高温
下应力随时间的变化。测试温度 24 ℃时，样品在 25
min 内松弛应力值基本未发生改变。测试温度由 24 ℃
变为 100 ℃时，拉伸态试样在恒定应变下受热，其热 图 4 不同构象下聚合物链端自由连接模型
拉伸应力在快速升温的三分钟内达到最大值，然后随
2.2 不同温度下的热拉伸应力
时间应力逐渐松弛。通过对其横向尺寸测量发现，热 图 5 为 40% 应变下，在 60 ℃，80 ℃，100 ℃，
拉伸应力上升至最大处，尺寸收缩 ；热拉伸应力从峰
120 ℃，140 ℃，160 ℃测试温度下的热拉伸应力变
值降低过程中，尺寸收缩逐渐变小。受仪器精度限制，
化曲线。可以看出，不同测试温度的橡胶热拉伸热拉
我们验证了热拉伸应力变化较大处样品尺寸变化，数
伸应力曲线差异明显，当测试温度在 60~80 ℃时，初

年
2024 第 50 卷 ·9·