热分析仪可以测试橡胶那些性能？

橡胶与轮胎

测试橡胶的组成、力学性能、热稳定性、散热性能；评价轮胎热积聚，热爆等行为。

DSC快速升温对热效应的影响

升温速率对DSC结果有着很大影响。快速升温可以显著放大热效应，同时特征温度也会往高温方向迁移。 7.42mg PET样品在DSC 214 Polyma上以不同升温速率（10K/min … 100K/min）进行测试，升温段之间的降温速率控制在30K/min以便产生相同的热历史。图1是DSC测试曲线。 10K/min的DSC升温曲线上（紫色），在77.5°C处出现PET玻璃化转变吸热台阶，在146.8°C处出现PET后结晶放热峰，最终在248.3°C处熔融。同样现象也出现在升温速率20K/min到50K/min的测试曲线上。随着升温速率增加，玻璃化转变台阶变得更高更宽，结晶峰和熔融峰也是如此，甚至两者逐渐发生部分重叠迹象。此外，玻璃化转变、结晶和熔融峰值都向高温方向迁移。当以100K/min（红色）升温时，DSC曲线上没有出现后结晶峰，很可能是升温速率太快，后结晶的动力学效应被抑制，材料来不及结晶。

天然橡胶/三元乙丙橡胶的玻璃化转变

弹性体材料（如天然橡胶（NR）、三元乙丙橡胶（EPDM））可以承受较大的形变量后恢复原始尺寸而不发生形变。NR是异戊二烯单体的聚合物，EPDM是乙烯、丙烯和二烯烃单体的聚合物。 图中可以看出，样品中有两个玻璃化转变。其中，第一个为NR的玻璃化转变，其温度为-72.8°C（中点），对应的比热变化为0.13J/g*K；第二个为EPDM的玻璃化转变，其温度为-52.3°C，比热变化为0.05J/g*K。

天然橡胶/丁苯橡胶混合物的热分解行为研究

天然橡胶（NR）是一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物，此外还含有少量天然杂质。合成橡胶可以由异戊二烯或其他单体聚合而成。丁苯橡胶（SBR）是一种由苯乙烯和丁二烯组成的弹性共聚物，它具有很好的耐磨性和时效稳定性。SBR在矿物油、脂肪族、芳香烃和氯化烃中是稳定的。 右图1为橡胶混合物的TG测试结果，其中黑色实线为TG曲线，绿色虚线为DTG曲线，灰色实线为红外数据（样品分解产生的气体发生的红外吸收强度）。当发生热分解时，样品的红外吸收强度会明显增加。红外图谱的3D显示图见右图2和3，其中样品在390和450℃的红外图单独进行的分析，并将波数为892 1/cm的红外数据放大显示以比较其不同之处，结果表明，样品在390℃的分解为NR分解，而SBR分解温度为450℃。

三元乙丙橡胶热裂解深入研究

三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯和二烯烃的共聚物，它具有宽广的应用范围，它可以应用在汽车雨刷、车窗玻璃导槽、散热器、软管、油管、皮带、电器绝缘件、塑料改性剂、机油添加剂等领域。 图中可以看出，真空下的热重测试可以更好的区分样品中增塑剂组分。在真空和N2气氛下测试图谱中，样品在室温到670℃间有两步失重，其中第一步失重是由增塑剂挥发造成的；第二步失重是由三元乙丙橡胶的热解造成的。真空下的测试可以更好的分离两步失重过程，这是由于在真空下增塑剂的挥发可以在更低的温度进行。结果表明样品中增塑剂的含量为22.3%。

DMA 鉴别硅橡胶老化程度

有机硅材料主要由硅油、硅橡胶、硅树脂和硅烷偶联剂四大类构成，硅橡胶是有机硅产品中产量最大、应用最为广泛的一大类产品，其主要组成是高摩尔质量的线型聚硅氧烷。由于 Si-O-Si 键是其构成的基本键型，硅原子主要连接甲基，侧链上引入极少量的不饱和基团，分子间作用力小，分子呈螺旋状结构，甲基朝外排列并可自由旋转，因此硅橡胶硫化后具有优异的耐高低温、耐候、憎水、电气绝缘性、生理惰性等特点，在汽车、航空航天、挤出成型制品、垫片和密封、医疗器械、办公设备、电力设备、防护设备、运动器材、玩具、电线电缆等行业领域中获得了广泛应用。 硅橡胶分子主键由硅原子和氧原子交替组成（-Si-O-Si-）的硅氧键键能高达 370 KJ/mol，比一般橡胶的碳-碳结合键能 240 KJ/mol 要大得多，这是硅橡胶具有很高热稳定性的主要原因之一。另外，由于硅橡胶是一种由填料增强硅基聚合物制成的无机合成弹性体，它实现了有机弹性体的化学和机械性质的组合，硅橡胶的典型特点总结如下： 1）在恶劣环境下有着更长的使用寿命，材料性能受天气气候（如雨、雪、潮湿、臭氧、太阳紫外线等）的影响很小，而有机弹性体长时间暴露于该类环境下可能会变脆； 2）更加宽广的使用温度范围如从-100 至 300 多度， 有机弹性体在温度超过 100℃时会发生软化和不可逆的变形，在温度低于 25℃时会变脆； 3）暴露在恶劣的环境应力下（如热、冷、潮湿、油、臭氧和紫外线）仍保持良好的电气绝缘性能； 4）在较宽的温度范围内能够保持其自然的柔韧性和弹性（抗压缩变形）； 5）具有良好的密封性能； 6）化学惰性、无味，可与许多食品接触； 7）较宽的硬度范围（从邵氏 A 10～80），较宽的颜色选择范围（从透明到亮丽色彩）； 8）具有较高的流动性，易于制造、加工； 在众多有机硅材料中，有机硅密封胶在日常生活中也是随处可见，其典型应用就是玻璃幕墙，例如用有机硅结构胶粘接玻璃等建筑外墙材料，用有机硅耐候胶作防水密封，还可用于房屋的表面修复，高速公路的接缝密封以及水库、桥梁的嵌缝密封等。本文利用耐驰动态热机械分析仪 DMA 242C 来研究用于幕墙密封的硅酮结构胶在热老化前后的性能差异。图 1 和 2 为 DMA 242C 采用剪切模式测试得到的图谱。存储剪切模量 G’在-125℃ 左右的下降台阶为硅橡胶的玻璃化转变，同样对于损耗剪切模量 G”和损耗因子 Tan δ 曲线，在-120℃ 附近出现一个向上的峰。G’在 -53℃ 左右出现明显的模量下降台阶，此处为硅橡胶中晶体部分的熔融，同样对于 G”和 Tan δ 曲线分别在 -43℃ 和 -22℃ 处出现对应于此熔融过程一个向上的峰。（注：图 1 中实线为 G’,虚线为 G”）

热重复杂气氛下的测试

利用热重分析仪测量样品质量随时间/温度的变化，可以对聚合物或混合物的组成及各组分所占的比例进行分析。从保护仪器的角度出发，常规的TG测试建议采用动态吹扫气氛，如N2、Ar或Air，但是对于某些特殊场合，比如塑料或橡胶的成分比例测试，可以考虑真空下测试（前提是确保真空下样品反应释出的气体对仪器没有危害），因为真空气氛能够降低小分子的沸点，达到分离失重台阶的目的。 图1为三元乙丙橡胶在动态气氛（N2切换成Air）下的测试结果，其中红色曲线为TG（质量变化%）曲线，绿色曲线为DTG（质量变化率）曲线，TG曲线记录各反应过程中样品质量的变化，结合DTG曲线可以判断各反应发生的起始/终止温度。从图上可以看出，此样品在室温-420℃发生了第一步反应，失重量为13.80%，此步反应为增塑剂的挥发；420-570℃间为第二步反应，失重量为36.85%，此步反应为高分子主链的分解；600-820℃范围内为第三步反应，失重量为6.68%，对应无机填料的分解；转换成空气后的反应为碳骨架的燃烧，失重量为29.91%。但是，第一步反应和第二步反应有重叠，影响了第一步反应的终止点的判断，导致难以准确测定增塑剂和高分子组分各自的含量。图2所示为同种材料在真空下的测试结果，由于真空下增塑剂的沸点降低，在较低的温度挥发出来，这样就能有效区分第一步反应和第二步反应，准确测得增塑剂和高分子组分的含量，分别为22.30%和27.89%。为了进一步验证此方法，测试一个含量已知的橡胶样品，右图3所示为样品在真空-N2-Air复杂气氛下的测试结果，在真空气氛下升温到600℃，在氮气气氛下恒温过渡10min后，切换成空气气氛升温到900℃。在真空气氛下，橡胶中的添加剂先挥发出来（约300℃前），失重量为20.43%（理论值20.6%）；300-600℃范围内，高分子主链分解，失重量为42.57%（理论值41.9%）。切换成空气后，碳骨架燃烧，失重量为9.08%（理论值9.1%）。综上可见，在保证仪器安全的前提下，对于某些应用，真空测试不失为一种有效分离失重台阶的方法。

DSC研究溶剂和易挥发物质的蒸发

当需要对含溶剂样品或易挥发物质进行特殊的沸点检测时，建议使用激光打孔直径为50 µm的铝坩埚盖，它可以直接冷压到标准铝坩埚上进行密闭，来减少易挥发物质在沸点之前的蒸发。 易挥发物质的蒸发通常开始于该物质沸点温度之前。图1显示：通过冷压孔径50 µm 铝坩埚盖（绿色曲线）可以有效地抑制水的蒸发。而使用常规扎孔的铝坩埚盖，在60°C以上（蓝色曲线）发生了水的蒸发。这种激光打孔坩埚盖也可用在石膏检测场合，能够有效区分二水合石膏和半水合石膏。

HFM测量黑色弹性体泡沫的导热

黑色弹性体泡沫（ArmaFlex）是一种柔软的、带有密闭气孔的绝缘材料，它易于成型，应用于各种不同的场合。较低的热导率以及对水蒸气具有较高的抗渗透作用，使得它常用在防止冷凝和节能场合。这种泡沫材料质地柔软并且耐湿气，所以在汽车领域有着广泛应用。在低于0度它仍然具有良好的柔韧性，所以非常适合用在低温冷冻场合。 右图是黑色弹性体泡沫样品从12°C到47°C范围的导热测量结果。对样品进行数次测量，每次测量后都将样品取出，旋转角度后再重新放入测量，可以看到多次测量的结果重复性优于±1%。该材料的导热系数是随着温度上升而增大，但是当升至较高温度下时，导热系数的增加不再显著。

NR与SBR橡胶的玻璃化转变

天然橡胶（NR）与丁苯橡胶（SBR）是一类具有特殊性质的弹性体材料，在受力时会发生较大的弹性形变，在压力释放后，它又恢复到原来的尺寸，没有残余形变。天然橡胶（NR）基本单元是异戊二烯，丁苯橡胶（SBR）是聚苯乙烯和聚丁二烯的共聚物。 两次升温测试都检测到两个玻璃化转变，第一个发生在-59.1°C，带有0.13J/g*K的比热变化，这是天然橡胶的玻璃化转变。第二个玻璃化发生在-42.7°C，则对应为丁苯橡胶的玻璃化转变。两次测试结果具有的重复性，表明耐驰DSC具有优异的稳定性和重复性。

丁腈橡胶的玻璃化转变

丁腈橡胶是一种丙烯腈-丁二烯共聚物，其中丙烯腈的含量一般在18%到50%之间。丙烯腈含量会明显影响橡胶的抗溶胀形、弹性、透气性以及弹性体的低温柔韧性，随着丙烯腈含量的增加橡胶的低温柔韧性降低。丁腈橡胶的玻璃化转变温度是其在汽车行业应用中的一项重要指标。 从图中可以看出，两次升温过程中，样品玻璃化温度为-26.8℃（中点），玻璃化转变过程中样品比热向吸热方向变化。样品一次升温时没有出现应力（结构）松弛峰，说明样品玻璃化温度没有受到加工或工艺的影响，样品两次升温玻璃化转变温度相同，说明橡胶样品的结构没有发生变化。

TG测试橡胶的热裂解过程

除了有少许天然杂质，天然橡胶（NR）本质上是异戊二烯单体聚合而成。而合成橡胶是异戊二烯和其他烯烃单体聚合而成。丁苯橡胶（SBR）是由苯乙烯和丁二烯聚合而成的弹性共聚物。它具有良好的耐磨性和老化稳定性，并且与矿物油、脂肪油脂、脂肪族、芳香族和氯化碳氢烃类接触时，性能较为稳定。 右图是橡胶材料的TG失重曲线，其中黑色实线是TG曲线，绿色虚线是DTG曲线。在550°C之前的多步失重分别对应为橡胶的添加剂（增塑剂）释放7%，天然橡胶裂解38.4%，丁苯橡胶裂解30.4%。550°C之后，吹扫气由氮气转换成空气，橡胶裂解生成的炭黑和添加的炭黑在氧气气氛下燃烧成CO2，对应的失重为20.0%，最后残余灰分4.3%。