橡胶密封件寿命预测的精确性：长宽比的关键作用

《Polymer Engineering & Science》：Precision in Rubber Seal Lifetime Prediction: The Critical Role of Aspect Ratio

橡胶密封件的老化行为受几何形状（高宽比，AR）显著影响。研究NBR和EPDM在80-170°C、AR=2.5-60条件下的老化，发现高AR样品因氧气扩散路径长，老化更慢，压缩设定（CS）和交联密度随AR增大而降低，Tg升高。AR≥30时，老化速率差异小于10%，预测服务寿命更准确。建议采用AR≥30的测试样品以提高寿命预测可靠性。

　　橡胶密封件在工业领域中广泛应用，其可靠性通常通过符合国际标准的老化研究来评估。然而，许多密封件具有较高的长宽比，即长度远大于高度。本研究揭示了长宽比对橡胶密封件老化行为的影响，指出在标准条件下，长宽比可能影响寿命预测的代表性。实验采用丁腈橡胶（NBR）和三元乙丙橡胶（EPDM）密封件，分别在长宽比为2.5、7.5、30和60的情况下，进行了温度从80°C到170°C、持续时间长达180天的热氧老化测试。测试样品来自商用垫片，通过压缩永久变形（CS）、回弹模量、硬度、交联密度和热分析等方法进行评估。研究发现，在140°C条件下，NBR的硬度、交联密度和玻璃化转变温度（Tg）的变化速率显著高于EPDM，这表明NBR在较低温度下更容易受到热氧老化的影响。此外，NBR在110°C时就表现出扩散限制氧化（DLO）现象，而EPDM则在170°C时才出现类似的DLO效应。研究结果表明，长宽比越高，材料对热氧老化的抵抗能力越强，因为氧分子需要更长的扩散路径才能进入材料内部。因此，为了更准确地预测密封件的使用寿命，建议使用长宽比等于或大于30的样品。这种测试方法可以更真实地反映密封件在实际工作中的性能，减少不必要的维护和材料消耗。

橡胶密封件的性能评估涉及多个方面，其中压缩永久变形（CS）是衡量其密封能力的重要指标之一。CS反映了材料在特定温度和压缩条件下发生不可逆变形的程度，其值越高，表明材料越容易发生泄漏。在本研究中，NBR和EPDM密封件在不同温度和长宽比条件下进行了老化测试，结果表明，NBR在热氧老化过程中表现出更快的CS变化，尤其是在高温条件下。这与NBR的化学结构有关，其分子链中含有较多的不饱和基团，更容易受到氧化反应的影响。相比之下，EPDM由于其非极性的饱和碳氢结构，对热氧老化具有更强的抵抗力。此外，NBR在高温下更容易发生DLO现象，即氧化反应主要集中在材料的外层，导致内部反应减弱，从而影响整体的密封性能。而EPDM的DLO效应则出现在更高的温度下，说明其对氧气扩散的限制程度较低。

在测试过程中，样品的几何形状对老化行为具有显著影响。对于长宽比较高的样品，其内部区域的氧化反应相对较少，因此整体的老化程度较低。这种现象可以通过Fick第一定律进行解释，即氧分子的扩散速率与扩散路径的长度成反比。在标准测试中，样品通常为直径13.0 mm、厚度6.3 mm的圆柱形，其长宽比为2.1。然而，这种几何形状可能无法准确反映实际密封件在高温下的老化行为，因为其较短的扩散路径导致氧分子更容易进入材料内部。因此，本研究建议使用长宽比更高的样品进行寿命预测，以更接近实际使用条件，从而提高测试结果的准确性。

在测试过程中，除了CS值的变化外，硬度、回弹模量和交联密度等参数也被用来评估材料的老化情况。硬度的变化与材料内部的交联和链断裂反应有关，交联反应会导致材料变硬，而链断裂则会降低硬度。研究发现，NBR在不同温度下表现出更快的硬度增加趋势，这与其较高的交联密度和较低的链断裂速率有关。相比之下，EPDM的硬度变化较为缓慢，尤其是在较低温度下，这可能与其较高的链断裂速率和较低的交联密度有关。此外，交联密度的变化也受到长宽比的影响，长宽比较高的样品交联密度较低，表明其内部反应较为有限，从而延缓了老化过程。

热重分析（DSC）被用于测定橡胶的玻璃化转变温度（Tg），这是评估材料老化程度的重要参数。Tg的变化反映了材料内部化学反应的动态变化，尤其是在热氧老化过程中。研究发现，NBR的Tg随着老化温度和时间的增加而显著上升，而EPDM的Tg变化则相对较小。这表明NBR在热氧老化过程中更容易发生交联反应，而EPDM由于其结构的稳定性，对热氧老化具有更强的抵抗能力。此外，长宽比对Tg的变化也有影响，长宽比较高的样品表现出较低的Tg变化，这可能与其内部氧化反应较弱有关。

本研究的结果表明，长宽比对橡胶密封件的老化行为具有重要影响。对于NBR和EPDM材料，长宽比较高的样品在热氧老化过程中表现出更低的CS值、硬度和交联密度，这意味着其老化程度较低，从而具有更长的使用寿命。相比之下，长宽比较低的样品更容易受到氧化反应的影响，导致较高的CS值和较快的老化速度。因此，为了更准确地预测密封件的使用寿命，建议在测试中使用长宽比为30或更高的样品。这种测试方法能够更真实地反映实际使用条件，提高寿命预测的可靠性，减少不必要的维护成本和材料浪费。

此外，研究还发现，热氧老化过程中，材料的化学反应速率和扩散速率之间存在复杂的相互作用。在高温条件下，氧化反应速率加快，但由于长宽比的影响，氧分子的扩散路径变长，导致内部反应速率下降。这种现象在NBR样品中尤为明显，其在110°C时就表现出DLO效应，而EPDM则在170°C时才出现类似的效应。这说明NBR的化学结构使其在较低温度下更容易发生扩散限制氧化，而EPDM由于其较高的热稳定性，需要更高的温度才能表现出类似的效应。

综上所述，橡胶密封件的使用寿命受到多种因素的影响，包括材料类型、温度、老化时间以及样品的几何形状。本研究通过系统地分析不同长宽比的样品在热氧老化过程中的行为，揭示了长宽比对材料老化的影响机制。结果表明，长宽比较高的样品在高温下表现出更低的老化速率，这可能与其较高的扩散路径有关。因此，建议在实际测试中采用长宽比为30或更高的样品，以更准确地预测密封件的使用寿命。这种测试方法不仅能够提高寿命预测的准确性，还能帮助工程师更好地理解密封件在不同条件下的性能变化，从而优化设计和维护策略。