橡胶密封件是密封技术中广泛应用的一类制品，因为橡胶材料具有优异的粘弹性，较宽的工作温度范围，在较小的应力下就可以产生变形、补偿间隙，从而实现良好的密封效果。
常见的橡胶密封材料有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶等，每种材料的性能都各有优缺点，如丁腈橡胶耐油，但不耐酮、酯等介质，硅橡胶耐温性能好，但不耐油。在选材和设计的时候，需要根据密封材料的应用场景，综合考虑温度、机械载荷（如静态密封或动态密封、是否有摩擦）、环境介质（如有机溶剂、臭氧等）等多方面的因素。而且，很多情况下需要根据不同的性能要求，对材料进行改性，因此每种橡胶可能有多种不同配方。
利用DMA可以分析橡胶材料的配方，对比或评估不同密封材料在一定载荷状态下的性能，包括粘弹性能、疲劳性能、松弛性能、压缩变形等，这对开发或选择合适的材料有重要的参考意义。本文将以具体测试为例，介绍DMA在橡胶密封材料的应用。
通过动态载荷下的温度扫描测试，可以得到橡胶材料的特征转变温度，其中玻璃化转变是最主要的转变，在玻璃化温度以下，橡胶处于玻璃态，弹性差，密封效果不好，所以玻璃化温度是橡胶材料应用的下限温度。除了玻璃化转变，其他转变可反应橡胶中不同添加组分的变化情况。下图是3个不同配方样品的温度扫描结果，测试采用拉伸模式，样品尺寸为2mm x 6mm x 16mm，静态应变1.0%，动态应变0.2%，频率10Hz。
可以看出3#和4#的tand曲线主峰（对应玻璃化转变）峰值温度基本一致（约-14℃），5#的tand峰值温度略低（约-16℃），玻璃化温度以下3#样品模量最高，5#zui低；3个样品在玻璃化转变前后各有一个转变，可能对应不同填料/添加剂，4#和5#玻璃化转变前的小峰温度相同，3#略低；玻璃化转变后的小峰3个样品温度各不相同，4#居中，3#最高。所以推测3#和4#基体一样，4#、5#其中一种添加剂相同（对应Tg前的转变），Tg后的转变可能由另外一种成分导致，3个样品添加的成分可能不同。
为了达到密封效果，橡胶材料在工况下通常处于受压状态，填充在机械部件接合的部位。在机械部件间隙一定的情况下，在时间和温度的作用下，分子链在一定程度上重新排列或发生断裂，导致维持同一形变量所需要的力（F）逐渐减小，与初始值F0相比，F值越小，泄漏的可能性越大。下图对比了室温、拉伸模式25%静态应变下3个样品的应力衰减过程，样品尺寸为2mm x 6mm x 6mm。
为了方便对比F/F0值的变化，以时间为横坐标，以F/F0为纵坐标作图如下，恒温1小时后3个样品的F/F0值由大到小分别为3#（0.603）、5#（0.585）和4#（0.553），说明4#样品在此条件下发生泄漏的可能性最大。
对于静态密封，橡胶材料在工况下会承受一定的静态载荷，材料在载荷的作用下发生蠕变，随着时间延长，形变量逐渐增大并趋于稳定。撤销载荷后尺寸逐渐恢复，恢复的速度和程度与测试条件（包括载荷大小、温度、作用时间等）及材料的弹性相关，尺寸不能恢复的部分为压缩变形。下图为对比了3个样品室温下的压缩变形结果，样品尺寸Φ13mm x 6.5mm，蠕变过程的静态载荷为2.3MPa，载荷维持30min后卸载，记录尺寸恢复情况，直至尺寸基本不变化。
3个样品在2.3MPa应力的作用下，形变量都在25%左右，卸载后的形变量由小到大分别为3#（3.16%）、5#（3.65%）和4#（4.32%），4#样品形变量最大，说明这个配方弹性较差，恢复性能不佳。
为了保证动态载荷下的密封效果，振动时密封件和机械部件之间不应出现间隙，这就要求密封材料弹性好、内耗小，具有快速的动态响应能力：加载时发生形变储存能量，卸载时及时恢复形变释放能量。如果材料的阻尼高，内耗大，响应速度慢，形变不能及时恢复，就容易导致泄漏。材料的动态响应性能与温度、频率、形变量相关，需要结合工况进行评估。下图对比了2种配方的材料在不同应变下的弹性和内耗，测试采用压缩模式，样品尺寸Φ10mm x2mm，频率10Hz，静态应变25%，动态应变扫描范围0.01%-1.4%。
动态应变小于0.1%时，2个样品的损耗因子非常接近，5#的模量略高，应变大于0.1%时，随着应变增大，模量都呈下降趋势，5#样品下降趋势更快，2个样品模量值的差异减小，损耗因子都呈增大趋势，且5#样品的增大趋势明显快于3#。说明在小应变下2个样品的响应性能基本接近，密封性能差别不大，应变增大时3#样品的响应性能优于5#，更不容易泄漏。
综上，利用DMA可以分析橡胶材料的配方，结合工况条件评估密封材料的松弛、压缩变形、疲劳及动态响应性能等，有助于开发或选择合适的密封材料。
作者
王荣
耐驰仪器公司应用实验室
