橡胶的疲劳老化

橡胶耐疲劳性能影响因素就橡胶材料而言，疲劳寿命是指橡胶材料在重复变形的过程中，当其承受的局部变形应力超过橡胶的延伸率或应力极限时，疲劳过程开始，以至于最后达到破坏。

这种疲劳破坏的开始点是由于橡胶表面或内部的不均匀性所造成的。

橡胶材料的破坏主要是由于其内部的缺陷或微裂纹引发的裂纹不断传播和扩展而导致的。

按照分子运动论的观点，橡胶材料的动态疲劳破坏归因于材料本身分子链上化学键的断裂，即试样在受到周期应力一应变作用过程中，应力不断地集中于化学键能比较弱的部位而产生微裂纹，继而发展成为裂纹并随着时间的推移而逐步扩展开来。

裂纹发展是一个随着时间而发展，涉及到橡胶材料的分子链连续断裂的粘弹性非平衡动态变化过程。

这一微观发展过程在宏观上的表现是，橡胶材料在动态应力一应变的疲劳过程中，裂纹穿过试样不断扩展，直到断裂以及产生与之所伴随的热效应。

橡胶材料的动态疲劳过程一般可以分为三个阶段：第一阶段是应力剧烈变化，出现橡胶材料在应力作用下变软的现象；第二阶段是应力缓慢变化，橡胶材料表面或内部产生微裂纹，经常称之为破坏核；第三阶段是微裂纹发展成为裂纹并连续不断地扩展开，直到橡胶材料完全出现断裂破坏现象，最后这一阶段是橡胶材料疲劳破坏的最重要的阶段。

使用炭黑填充的天然橡胶硫化胶在一定负荷下多次拉伸变形时，橡胶的物理机械性能在疲劳过程中，拉伸强度先是逐步上升的，经过一个极大值后再开始下降，而撕裂强度、动态弹性模量和力学损耗因子的变化则相反。

在疲劳过程中，胶料的拉伸强度几乎保持不变。

300％定伸应力的疲劳开始阶段明显增大，然后增大趋于缓慢；扯断伸长率则随疲劳周期的变化而下降，在高应变疲劳条件下，具有拉伸结晶性的橡胶抗疲劳破坏性能较好。

未使用补强剂补强的橡胶材料，其破坏形态一般表现为塑性破坏，而使用炭黑或其它活性填料作补强剂的橡胶材料则表现为脆性破坏，且随着各种防老剂的加入，其破坏形态由脆性破坏逐步向准塑性破坏形态转变。

天然橡胶在受到一定频率的应力作用的条件下，由于分子链的内摩擦而生热是其动态疲劳破坏的另外一种因素。

fesafe橡胶疲劳案例1. 橡胶疲劳是指在重复加载下，橡胶材料发生疲劳损伤，导致其性能下降或失效的现象。

这一现象在许多工程应用中非常常见，如橡胶密封件、弹性悬挂系统等。

2. fesafe公司是一家专注于橡胶制品研发和生产的企业，其产品广泛应用于汽车、机械、电子等领域。

然而，最近fesafe公司的一批橡胶密封件在使用过程中出现了疲劳失效的情况，引起了公司的关注。

3. 通过分析，发现这批橡胶密封件的疲劳失效主要集中在高温环境下。

在高温环境下，橡胶材料的分子链易于发生断裂，导致密封件失去原有的弹性和密封性能。

4. 进一步的调查发现，这批橡胶密封件的材料质量存在一定问题。

fesafe公司使用的橡胶材料供应商在生产过程中可能存在工艺不合理或原材料配方不当等问题，导致材料性能不稳定。

5. 为了解决这一问题，fesafe公司与橡胶材料供应商进行了多次沟通和合作。

首先，公司要求供应商提供材料的详细物理性能和化学成分等信息，以确保材料的质量。

6. 其次，fesafe公司与供应商共同制定了一套严格的材料测试和质量控制标准，确保每批橡胶材料都符合要求。

这些标准包括材料的硬度、拉伸强度、断裂伸长率等性能指标。

7. 此外，为了减少橡胶密封件在高温环境下的疲劳失效，fesafe公司开始研发新的材料配方。

通过添加抗氧化剂和增塑剂等添加剂，提高橡胶材料的耐热性和耐老化性能，从而延长橡胶密封件的使用寿命。

8. 在新材料配方的基础上，fesafe公司还优化了橡胶密封件的结构设计。

通过改变密封件的几何形状和尺寸，减少材料的应力集中，降低疲劳损伤的发生概率。

9. 此外，fesafe公司还引入了先进的生产设备和工艺，提高橡胶密封件的加工精度和一致性。

通过精确控制材料的硬度和尺寸等参数，减少橡胶材料的内部缺陷，提高密封件的整体性能。

10. 经过一系列的改进和优化，fesafe公司的橡胶密封件的疲劳失效问题得到了有效的解决。

新的材料配方和结构设计使得橡胶密封件在高温环境下具有更好的耐久性和密封性能，满足了客户的需求。

橡胶曲挠疲劳改善方法
橡胶材料在曲挠疲劳方面的性能是一个重要的考虑因素，特别是在需要长时间使用、频繁变形的应用中。

以下是一些可以改善橡胶曲挠疲劳性能的方法：
1.材料选择：选择适合应用的橡胶材料非常重要。

不同类型的橡胶具有不同的疲劳寿命和耐久性。

根据应用环境和要求，选择合适的橡胶材料，以获得最佳的曲挠疲劳性能。

2.添加剂和填料：在橡胶配方中添加适当的添加剂和填料，如增强剂、抗氧化剂、增容剂等，可以改善橡胶的强度、耐疲劳性能和耐候性。

3.控制温度：温度对橡胶的疲劳性能有很大影响。

在高温环境下，橡胶可能会软化和老化，导致疲劳性能下降。

因此，在使用橡胶制品时要注意控制温度。

4.减少应力浓集：减少应力浓集点，如尖锐的角部和边缘，可以减少橡胶材料的应力集中，从而延长其曲挠疲劳寿命。

5.设计改进：在设计阶段，考虑到橡胶材料的曲挠疲劳特性，可以采取一些措施，如增加支撑点、平滑过渡等，以减少应力集中。

6.周期性维护：对长期使用的橡胶制品进行定期维护，如清洁、保养和替换损坏的部分，可以延长其使用寿命和曲挠疲劳寿命。

7.使用模拟测试：在产品开发阶段，可以使用模拟测试设备进行疲劳测试，以模拟实际使用条件下的曲挠情况，从而评估橡胶材料的性能和耐久性。

8.加工工艺优化：在橡胶制品的加工过程中，采用适当的加工工艺和参数，可以改善材料的内部结构和性能，从而提高其曲挠疲劳寿
命。

改善橡胶材料的曲挠疲劳性能需要综合考虑材料的特性、使用环境和设计等因素。

根据实际情况，可以采取多种方法来优化橡胶制品的疲劳性能，以确保其长时间稳定的使用。

橡胶的老化与防护概述老化：橡胶或橡胶制品在加工、贮存和使用过程中，由于受内、外因素的综合作用使性能逐渐下降，最后丧失使用价值的现象。

橡胶老化的原因：内因：①橡胶的分子结构；②橡胶配合组分及杂质。

外因：物理因素，化学因素，生物因素。

最常见的、影响最大、破坏性最强的因素：热、氧、臭氧、光、机械力和金属离子。

橡胶老化的防护：物理防护法：①橡塑共混—减少双键及α-H的浓度；②表面镀层或处理—减少与氧、臭氧、光的接触；③加光屏蔽剂—减少光的作用；⑤加石蜡—减少与氧、臭氧、光的接触。

化学防护法：加入各种化学防老剂，延缓老化反应。

一、橡胶热氧老化1.吸氧曲线：（1）老化诱导期（吸氧量低，几乎无ROOH，吸氧速度慢。

对橡胶性能影响不大。

）（2）恒速吸氧阶段，吸氧量低，ROOH增加，在该阶段末期，ROOH几乎达到最高值。

（ROOH累积期）。

（3）吸氧速度激增，比诱导期大几个数量级；吸氧量急剧增加；ROOH急剧降低--自催化氧化阶段。

该阶段末期,橡胶老化，橡胶性能恶化。

（4）老化后期:恒速反应期，橡胶没有反应活性点—橡胶深度老化。

2.不饱和橡胶的热氧老化方式有两种类型(1)以分子链裂解为主—含异戊二烯单元的橡胶如NR、IR、IIR。

橡胶平均分子量下降，变软、发粘。

(2)以分子链间交联为主—含丁二烯单元的橡胶如BR、SBR、NBR。

分子量增大,变硬发脆。

3.影响橡胶热氧老化的因素1．橡胶本身的影响：（1）双键的含量及位置；（2）取代基的电子效应；（3）取代基的位阻效应；（4）橡胶的结晶性。

2.温度3.氧的浓度4.重金属离子（变价金属离子）（催化作用）5.硫化：硫化减少了α-H的量，减少了老化反应点；硫化胶的网络结构阻止O2的扩散、渗透；硫交联键有分解ROOH 的作用。

热氧老化的特点：自由基链式反应，自催化反应2.化学防护法（1）链终止型防老剂：自由基捕捉体型，电子给予体型，氢给予体型;（2）破坏ROOH型防老剂：辅助防老剂;（3）金属离子钝化剂：铜抑制剂和铁抑制剂.二、橡胶的臭氧老化及防护臭氧老化：生胶或橡胶制品在氧、臭氧、应力应变等因素共同作用下产生的一种老化现象。

影响橡胶制品疲劳（屈扰、动态变形）的因素一环境条件环境影响在疲劳过程中特别是在长寿命的橡胶材料中起着关键作用。

橡胶应力-应变关系和疲劳老化性能发展的方式在很大程度上依赖于材料的温度以及橡胶成分周围化学反应物的存在和浓度A温度升高的温度对橡胶形核寿命和疲劳裂纹增长速率产生有害的影响，这种有害影响在无定形橡胶中表现的最为明显，对于纯的丁苯橡胶处于可控测试中，随着温度从0°到100°，疲劳寿命化降低10000倍，而对于纯的天然胶而言，在相同条件下，疲劳寿命降低4倍。

填料的加入可能降低对温度的依赖性。

在疲劳裂纹增长测试中类似的影响可能被观察到。

上述温度的影响与由于老化或进一步教交联所发生的化学变化无关。

温度对这些化学过程的速率产生很大的影响这种影响能够在升温或长时间内导致附加分解。

温度实际对长期行为地影响程度取决于配方设计；固化剂，抗氧化剂等这些因素以后讨论。

B臭氧在一个长期的疲劳测试中，有臭氧存在很大程度上会增大裂纹的增长速率和缩短寿命。

由于应力集中，弹性体网链在裂纹尖端很容易与臭氧反应，臭氧与主要聚合物分子链的碳-碳双键发生反应引起断链。

当瞬间的能量释放速率超过一个小的起点，就会发生由于臭氧袭击而引起的裂纹增长，这个起点由Gz表示，Gz通常比机械疲劳起点T更小，Gz的值恨得程度上取决于配方设计，特别是抗氧化剂和抗臭氧剂存在。

对于没有加入任何这些物质的橡胶来说，Gz=0.1J/m2，当有抗臭氧剂存在时，Gz会增大10倍或更多，相比较而言，机械疲劳起点大约为T=50J/m2，臭氧看起来不影响机械疲劳起点的值，其他化学物质能够以一种类似臭氧的方式侵袭橡胶。

Gent和Mrath研究了在一个很大的范围内温度对臭氧增长速的影响。

两个物理量被发现可以控制列为裂纹增长率da/dt，在玻璃化转变温度附近裂纹增长速率是与v温度成比例的，而与臭氧无关。

在足够高的温度下（Q-Tg>100°），裂纹增长速率完全依赖于臭氧浓度而与温度无关。

橡胶工艺学试题库简答题一、简答题（共60小题）1、相容性如何影响橡胶共混物的形态结构？正确答案：热力学相容性是聚合物之间均匀混合的主要推动力。

两种聚合物的相容性越好就越容易相互扩散而达到均匀的混合，过渡区也就宽广，相界面越模糊，相畴越小，两相之间的结合力也越大。

有两种极端情况：一是两种聚合物完全不相容，两种聚合物链段之间相互扩散的倾向极小，相界面很明显，其结果是混合较差，相之间结合力很弱，共混物性能不好。

第二种极端情况是两种聚合物完全相容或相容性极好，这时两种聚合物可相互完全溶解而成为均相体系或相畴极小的微分散体系。

这两种极端情况都不利于共混改性。

一般而言，我们所需要的是两种聚合物有适中的相容性，从而制得相畴大小适宜、相之间结合力较强的复相结构的共混产物。

2、混炼操作开始前，需进行哪些准备工作？正确答案：各种原材料与配合剂的质量检验：配合剂的检验包括纯度、粒度及其分布、机械杂质、灰分及挥发分、酸碱度等；生胶的检验包括化学成分、门尼粘度、物理机械性能。

对某些配合剂尽心补充加工：固体配合剂的粉碎、干燥和筛选；低熔点固体配合剂的融化和过滤；液体配合剂的加温和过滤；粉状配合剂的干燥和筛选。

油膏与母炼胶的制造：为防止粉状物料的分散、损失及环境污染，有时候将某些配合剂、促进剂等事先以较大比例与液体软化剂混合制成膏状使用；而母炼胶是某些配合剂与生胶单独混合制成的物料。

称量配合操作：即按配方规定的原材料品种和用量比例，以适当的衡器进行称量搭配。

3、什么是液体橡胶？与普通橡胶相比有什么优缺点？（15分）正确答案：指室温下为粘稠状可流动的液体，经适当的化学反应后可形成三维网状结构，成为具有与普通橡胶类似性能的材料。

优点：易于实现机械化、自动化、连续化生产，不需用溶剂、水等分散介质便看实现液体状态下的加工。

缺点：扩链后的强度及耐挠曲性不如固体橡胶，加工需另建系统，现有设备不适用，材料成本高。

4、什么是橡胶的老化？老化过程中期分子结构发生了哪些变化？（15分）正确答案：橡胶或橡胶制品在加工、贮存和使用的过程中，由于受内、外因素的综合作用（如热、氧、臭氧、金属离子、电离辐射、光、机械力等）使性能逐渐下降，以至于最后丧失使用价值，这种现象称为橡胶的老化。

橡胶的热、氧、光、疲劳老化橡胶在热氧老化过程中的结构变化有几种？热由“热”引起的老化可谓贯穿于橡胶的整个生命周期，如聚合过程中聚合温度、树脂合成过程中的固化放热、挤出注塑等加工过程中的加工温度、橡胶贮存条件下的环境温度、使用过程中来自于太阳的暴晒或使用环境温度等等。

“热”对橡胶老化的影响主要体现在其分子链的运动方面，温度升高，橡胶分子链运动加剧，当材料受热温度超过其临界温度，分子聚集态结构、结晶度等会发生变化，则会直接影响高分子材料的物理性能，尤其是材料的力学性能，如在极寒环境下，橡胶会变脆，韧性大大下降，极易折断。

当材料受热温度超过化学键的键能时，会引起分子链的断裂，进而发生热降解或交联，从而导致橡胶使用性能的下降，尤其是在有氧气存在的条件下，极易造成热氧老化，加剧高橡胶的降解。

氧“氧”可以说是无处不在，是导致橡胶老化的又一重要因素。

橡胶分子结构中的不饱和双键、羰基、叔碳基等，极易受到氧的攻击，从而形成大分子过氧自由基或过氧化物，然后导致橡胶分子链中弱键部位发生断裂，进而造成橡胶分子量的下降，某些链的断裂和分解会进一步产生自由基，引发大分子链的氧化，从而发生老化。

当有热和光照存在的条件下，橡胶还会发生热氧老化和光氧老化，加剧材料的老化，这种老化基本是不可逆的，会大大缩短材料的使用寿命。

橡胶在热氧老化过程中的结构变化可分为二类：一类是以分子链降解为主的热氧老化反应（裂解化）；二类是以分子链之间交联为主的热氧老化（结构化）。

天然橡胶等含有异戊二烯橡胶、丁基橡胶、二元乙丙橡胶、均聚型氯醇橡胶及共聚氯醇橡胶等。

这类橡胶在发生热氧老化后的外观表现为变软、发粘。

顺丁橡胶含有丁二烯的橡胶在热氧老化过程中，发生的主要是交联反应，类似的橡胶品种还有NBR/SBR/CR/ERDM/FPM/CSM等。

这类橡胶在发生热氧老化后的外观表现为变硬、变脆。

有时还有光老化：“太阳光照”除了会造成橡胶的温度升高而发生热老化外，其光线中的紫外线是导致橡胶（特别是户外应用时）老化的主要原因，这主要是因为大多数橡胶材料的化学键键能都在紫外光能量范围内，当橡胶吸收了光能后，会引起化学键的断裂，导致橡胶大分子链的断裂，进而导致光老化，尤其是在有氧存在的条件下，还能够引起橡胶的光氧老化，加剧材料的老化降解。

橡胶制品老化的原因以及如何防止橡胶制品的老化方法一、橡胶制品老化原因在1885年人们就发现受到拉伸的橡胶在老化过程中发生龟裂，当时人们曾认为是由于阳光的照射所致，但后来发现未经阳光照射的橡胶制品上，同样也有龟裂产生。

后来经过分析发现，不受阳光的照射的橡胶拉伸所产生的龟裂，是由于大气中存在的臭氧所致。

在距离地面20-30km的高空，氧气分子在阳光照射下会产生牛气分子形成一层臭氧层。

尽管地表的臭氧浓度较低，但引起的橡胶才华现象也不容忽视，越来越受众的重视。

橡胶的臭氧老化与其他因素所产生的老化有所不同，主要有如下表现。

(1)橡胶的臭氧老化是一种表面反应，未受应力的橡胶表面反应尝试为10-40个分子厚，或(10~50)*10-6次方mm厚。

(2)未受拉伸的橡胶暴露在O3环境中时，橡胶与O3反应直到表面上的双键完全反应完后终止，在表面上形成一层类似喷霜状的灰色硬脆膜，使其失去光泽。

受拉伸的橡胶在产生臭氧老化时，表面要产生臭氧龟裂，但通过研究认为，橡胶的臭氧龟裂有一临界应力存在，当橡胶的伸长或所受的应力低于临界值时，在发生臭氧老化时是不会产生龟裂的，这是橡胶的固有特性。

(3)橡胶在产生臭氧龟裂时，裂纹的方向与受力的方向垂直，这是臭氧龟裂与光氧老化致龟裂的不同之处，介应当注意，在多方向受到应力的橡胶产生臭氧老化时，所产生的臭氧龟裂很有难看出方向性，与光氧老化所产生的龟裂相似。

老化是橡胶等高分子材料中存在的一种较为普遍的现象，它会使橡胶的性能劣化，影响橡胶制品的使用价值及使用寿命，橡胶防护体系是延缓橡胶的老化，延长制品的使用寿命。

橡胶防护体系主要是防老剂，防老剂型按作用原理可分为化学防老剂和物理防老剂；按防护的目标分为抗氧剂、护臭氧剂、光屏蔽剂、金属钝化剂等，也可按化学结构进行分类。

(1)橡胶老化的现象：生胶或橡胶制品在加工、贮存或使用过程中，会受到热、氧、光等一干二净因素的影响而逐渐发生物理及化学变化，使其性能下降，并丧失用途，这种现象称为橡胶的老化。

就橡胶材料而言，它是指橡胶材料在重复变形的过程中，当其承受的局部变形应力超过橡胶的延伸率或应力极限时，疲劳过程开始，以至于最后达到破坏。

这种疲劳破坏的开始点是由于橡胶表面或内部的不均匀性所造成的。

橡胶材料的破坏主要是由于其内部的缺陷或微裂纹引发的裂纹不断传播和扩展而导致的。

按照分子运动论的观点，橡胶材料的动态疲劳破坏归因于材料本身分子链上化学键的断裂，即试样在受到周期应力一应变作用过程中，应力不断地集中于化学键能比较弱的部位而产生微裂纹，继而发展成为裂纹并随着时间的推移而逐步扩展开来。

裂纹发展是一个随着时间而发展，涉及到橡胶材料的分子链连续断裂的粘弹性非平衡动态变化过程。

这一微观发展过程在宏观上的表现是，橡胶材料在动态应力一应变的疲劳过程中，裂纹穿过试样不断扩展，直到断裂以及产生与之所伴随的热效应。

橡胶材料的动态疲劳过程一般可以分为三个阶段：第一阶段是应力剧烈变化，出现橡胶材料在应力作用下变软的现象；第二阶段是应力缓慢变化，橡胶材料表面或内部产生微裂纹，经常称之为破坏核；第三阶段是微裂纹发展成为裂纹并连续不断地扩展开，直到橡胶材料完全出现断裂破坏现象，最后这一阶段是橡胶材料疲劳破坏的最重要的阶段。

使用炭黑填充的天然橡胶硫化胶在一定负荷下多次拉伸变形时，橡胶的物理机械性能在疲劳过程中，拉伸强度先是逐步上升的，经过一个极大值后再开始下降，而撕裂强度、动态弹性模量和力学损耗因子的变化则相反。

在疲劳过程中，胶料的拉伸强度几乎保持不变。

300％定伸应力的疲劳开始阶段明显增大，然后增大趋于缓慢；扯断伸长率则随疲劳周期的变化而下降，在高应变疲劳条件下，具有拉伸结晶性的橡胶抗疲劳破坏性能较好。

未使用补强剂补强的橡胶材料，其破坏形态一般表现为塑性破坏，而使用炭黑或其它活性填料作补强剂的橡胶材料则表现为脆性破坏，且随着各种防老剂的加入，其破坏形态由脆性破坏逐步向准塑性破坏形态转变。

天然橡胶在受到一定频率的应力作用的条件下，由于分子链的内摩擦而生热是其动态疲劳破坏的另外一种因素。

橡胶材料的疲劳性能分析橡胶是一种经常被使用的材料，它可以被应用在各种场合，例如汽车轮胎、机械密封件、管道等。

然而，这种材料在长时间的使用过程中会遭受众多的疲劳损伤，而这些损伤是不可避免的。

因此，理解橡胶材料的疲劳特性是非常重要的，这不仅可以提高橡胶制品的耐久性，还可以为工程领域提供有用的信息。

橡胶材料的疲劳现象指的是在反复的应力和形变交替作用下，材料内部出现的破裂、断裂、裂纹扩展等现象。

在橡胶材料中，疲劳机理主要可以归纳为两种：一种是底层断裂模式，另一种是表层断裂模式。

底层断裂模式指的是在材料中部或下部形成的疲劳破坏，而表层断裂模式指的是在材料表面形成的疲劳破坏。

为了更好地理解和评估橡胶材料的疲劳性能，工程师们可以利用实验方法进行研究。

其中，最常用的疲劳试验方法是拉伸疲劳试验，这种试验方式既能够确定橡胶材料在不同载荷下的疲劳极限，同时也能够评估材料的耐久性。

在进行拉伸疲劳试验时，需要注意试验的载荷频率、环境温度、湿度等参数，同时应使用符合标准的试验设备，以确保实验结果的准确性和可靠性。

在进行橡胶材料的疲劳性能评估时，应注意以下几个方面：1. 不同类型的橡胶材料的疲劳性能有所不同，需要根据实际应用需求选择合适的材料类型。

2. 利用不同的试验方法可以获得不同的疲劳性能数据，应根据实际应用需求选择合适的试验方法。

3. 环境条件对橡胶材料的疲劳性能有重要影响，应在实际使用环境下进行合适的疲劳试验。

4. 不同的疲劳模式需要采取不同的措施进行防止和修复，应根据疲劳模式的不同选择合适的预防和修复方法。

综上所述，橡胶材料的疲劳性能是影响橡胶制品寿命和性能的重要因素，能够对该领域的工程师们提供有益的信息。

因此，对橡胶材料的疲劳性能进行深入研究和评估是非常重要的，可以帮助我们更好地理解材料的性能和特点，从而提高橡胶制品的质量和可靠性。