Q-SUN Xe-1氙燈加速老化機在流變彈性體性能耐老化研究的應用

摘要

基於磁流變彈性體(MRE)的產品通常位於直接暴露於陽光和雨水的區域。然而，沒有關於MRE在加速老化後的行為的具體研究。因此，在本研究中，檢查了各向同性和各向異性MRE在加速老化後的化學和流變性質的變化。比較處理和未處理的樣本。在沒有電流激勵的情況下製備具有40重量CIP的MRE樣品，並且用1.5 T的磁通量密度製備另一個樣品。每個樣品都在Q-Sun Xe-1氙燈加速老化機中，在紫外光照射循環和噴水下進行處理。使用FTIR和流變儀進行材料表征，以確定化學和流變性質的變化。形貌分析結果表明，經氣候處理後，表麵粗糙，出現較多空洞。流變儀測試結果顯示，與未處理的MRE樣品不同，每個處理過的MRE樣品的儲能模量顯著降低。電流為0、1、2和3安培時，儲能模量值的降低分別為66.67%、78.9%、85.2%和80.5%。同時，FTIR測試顯示了未處理和處理的MRE樣品之間的波峰變化。熱重分析(TGA)也顯示每個樣品的MRE重量降低。然而，對於治療和未治療的MRE標本，TGA的下降沒有顯著差異。在對MRE樣品進行的所有測試中，天氣加速處理引起了顯著的變化。對於選擇矽樹脂作為MRE基體的開發人員來說，這是一個重要的考慮因素。

1.介紹

橡膠產品的開發進展迅速。除了應用於汽車領域的普通橡膠產品，例如輪胎或其他特種橡膠產品，近幾十年來已經提出了傳感器和磁場及電磁場保護材料形式的橡膠複合材料。對於這種用途，需要一種新型的橡膠複合材料，其具有非常規的填料作為整合的活性組分。實現這一目的的一種方法是製備一種具有特定填料如磁性顆粒的新材料。磁流變彈性體(MRE)是新一代材料，因其優異的柔韌性、易成型性和對磁場的敏感性而被廣泛研究。然而，盡管MRE具有作為複合材料的能力，但由於周圍環境的影響，它仍然非常容易受到損壞。MRE老化影響MRE的機械性能和耐久性，導致損壞。一個例子是Kruzelak等人進行的研究，該研究表明，由於在氧化老化過程中橡膠鏈氧化的形成，磁性複合材料的交聯密度增加。他們觀察到，與沒有老化的樣品相比，與橡膠磁性複合材料的模量和硬度相關的機械性能增加了。Masbowski等人研究了MRE樣品的熱氧化老化。將含有羰基鐵顆粒(CIP)和炭黑填料的MRE樣品置於70℃的幹燥爐中處理兩周。由於氧化老化過程，MRE的機械性能略有下降。其他研究人員也得出了類似的結論；隨著溫度和老化時間的增加，拉伸強度、撕裂強度和硬度顯著下降，降幅高達72%。這是由於伴隨著水熱劣化的分子構型變化導致基體和填料/基體界麵之間形成微間隙。

與MRE降解相關的處理已經以幾種形式進行，例如熱處理，但是這些處理中的一些不能代表天氣行為。根據以前的研究，橡膠複合材料/MRE研究僅限於特定的橡膠基質，主要集中在機械性能和交聯上。一項研究涉及使用RTV矽橡膠作為大型MRE基體，因為它易於製造。然而，對基於RTV矽酮的MRE對自然條件如陽光、熱和降雨的耐受性的深入研究沒有受到關注。同時，橡膠複合產品如MRE的應用主要是在直接暴露於陽光和雨水的環境中。因此，這篇文章有助於理解老化的影響，通過使用氙燈加速老化機對各向同性和各向異性的基於矽RTV的MRE樣品。通過在紅外測試下檢查流變性能和材料劣化，實現了新的發現。這一主要發現對於研究人員或設計人員決定是否使用矽樹脂作為MRE基質很重要。

2.材料和方法

2.1.樣品製備

在這項研究中，MRE樣品是基於由40 wt% CIPs和矽酮RTV作為懸浮介質。MRS樣品的製備如圖1所示。

使用相同的設備製造各向同性和各向異性類型。對於各向異性的MRE樣品，混合的矽酮RTV和CIP在0.5 T磁通量密度的影響下固化。該磁通量值通過施加1 ADC電流獲得。為了確定該值，在用混合物填充模具之前，使用高斯計測量通量密度。MRE樣品在室溫(25 ℃)下常規攪拌約10分鍾，直到其視覺上均勻。然後，將1%的固化劑NS 625 B(新日鐵)加入到攪拌的MRE樣品中，然後將其倒入模具中。為了去除小氣泡，將混合物置於真空室中進行脫氣。

2.2.樣品表征

測試方法遵循使用人工氣候老化裝置的橡膠劣化的標準測試方法。這一過程是在加速老化機Q-SUN Xe-1氙燈加速老化機和ASTM D750中進行的。Q-SUN Xe-1氙燈試驗箱是一個桌麵型試驗箱，它使用一個氙弧燈和可選的噴水器和冷卻器來再現全光譜紫外光造成的損害，該燈由美國佛羅裏達州Q-Lab製造。

如ASTM D750所述，樣品的最大厚度應為0.75毫米，最小厚度應為0.60毫米(0.025英寸)；然而，樣品的寬度並不重要。除了ASTM標準厚度之外，還根據流變測試的需要對厚度為1 mm的樣品進行了處理，流變測試要求最小厚度為1 mm。默認曝光時間僅為102分鍾，隨後是18分鍾的光照，外加在正麵噴水或浸入水中。在暴露於光下的幹燥期間，該測試的黑麵板溫度(BPT)為63 ℃,暴露期間的相對濕度為60%。輻照度水平控製在340納米。該測試在溫度為60°C的未隔熱黑色麵板中進行了8小時的紫外線暴露循環，隨後在黑暗中進行了4小時的冷凝循環，潤濕且未隔熱黑色麵板的溫度為50°C。獲得的樣品是經過處理和未經處理的MRE樣品，包括各向同性和各向異性樣品。

然後通過諸如形態學、流變學和傅立葉變換紅外光譜(FTIR)等幾項測試對製備的樣品進行表征。為了檢查處理過的和未處理的樣品的表麵，使用荷蘭Arnhem的Euromex Microscopen BV的Euromex顯微鏡“F”係列，在10倍放大倍數(M10)下進行顯微照片分析的圖像捕捉。這種放大足以清楚地識別處理過的和未處理過的樣品之間的差異。對樣品表麵進行顯微照片分析，因為在用加速老化機器處理期間，樣品表麵直接暴露於紫外線和水中。用於流變儀測試的MRE樣品被切割成20 mm的直徑。該測試使用安東帕公司的MCR 302流變儀進行。本研究中CIPs和矽橡膠介質之間的MRE樣品量基於重量比。將兩種成分在室溫下手動攪拌10分鍾，直至均勻。達到均勻性後，將每個樣品倒在模具上，並在凝固前拉平。在25°c下用流變儀測試樣品。除了流變儀測試，還對樣品進行了FTIR測試，以確定未處理和處理過的MRE樣品之間化學化合物的任何變化或差異。使用研缽壓模將待通過FTIR測試的MRE樣品壓碎直至光滑。FTIR測試使用日本島津Prestige 21 IR，波長規格為12500–240cm^-1，精確度為0.12cm^-1。這台機器的光譜分辨率範圍為0.5至2cm^-1。

3.結果和討論

3.1.顯微照片分析

處理和未處理MRE樣品表麵的顯微照片研究對於分析降解程度至關重要。圖2a顯示了未處理的顯微照片樣品，圖2b顯示了使用氙燈加速老化機進行老化處理的顯微照片樣品。表麵退化的影響在這些圖像中很明顯，結果顯示出明顯的差異。

處理後，MRE樣品表麵比原始樣品更不規則。即使使用普通顯微鏡，處理過的樣品的粗糙度變化也很明顯。表麵缺陷可能是由於低分子降解產物的形成，這使得水和可能的分解劑(例如酶)滲透到聚合物本體中，並促進進一步的環境降解。其他用熱老化測試MRE的研究人員也發現了這一現象。

使用德國耶拿的卡爾·蔡司公司的SEM(掃描電子顯微鏡)ZEISS EVO 10進行顯微照片分析。對於兩種樣品變體，分析是以1000倍的放大倍數進行的。本研究中的SEM測試旨在以更大的放大比例更清晰地描述彈性體結構，以便在有和無氣候處理的MRE樣品之間完成比較。在樣品的表麵和樣品切片的截麵上進行測試，以便可以看到在MRE上形成的鏈結構。比較的樣品是各向同性和各向異性的MRE樣品，經過處理和未經過老化處理。結果如圖2a、2b所示；未經氣候處理的各向異性MRE樣品具有更整齊排列的結構，其外觀是用1 A輸入固化的鏈狀排列線。經氣候處理的各向異性MRE樣品顯示出更不規則(隨機)的結構。由於樣品在處理過程中交替暴露於紫外光下並連續噴水，在經氣候處理的MRE樣品中更容易看到拉伸網絡。拉伸網絡的存在和鏈的隨機排列導致MRE的流變性能顯著下降，如流變測試結果圖所示。

對於未經氣候處理的MRE樣品，樣品切片的鏈節結構仍然清晰地形成；而在經天氣處理的樣品中，路徑不可見，因為它看起來更隨機。根據圖表的結果，這導致樣品中的性能下降。氣候處理僅在樣品的表麵進行，但是發生在樣品中心的衝擊通過被測試樣品的切片顯示。SEM測試的結果如圖2所示。使用相同的方法和放大倍數收集數據。此外，表麵拉伸網絡的數量和大小也有顯著差異。在相同的放大倍數下，經氣候處理的各向異性MRE樣品的表麵褪色和變灰。當然，這是紫外線與持續噴水交替暴露於樣品的結果。就通過SEM分析的MRE樣品的表麵和中間/內部之間的顏色變化而言，內部傾向於在處理或不處理的情況下保持相同的顏色，因為內部沒有暴露於UV光。同時，從得到的拉伸網絡的數量和尺寸來判斷，與未處理的MRE樣品相比，經氣候處理的MRE樣品數量更多且均勻地分布在表麵的所有部分上，尺寸更小。然而，在這兩者中，鏈結構路徑不可見，如在切片MRE樣品中清楚看到的。兩者結構不規則。

各向同性MRE樣品也用相同的方法和放大倍數進行測試。總的來說，SEM結果顯示了相似性，如圖2c，d所示。經老化處理的樣品有更多的氣泡。在所有的測試中，無論是在表麵還是在切片上都出現了這種情況。然而，與形成鏈狀結構的各向異性MRE樣品相反，在該樣品中，沒有形成結構結合如鏈，因為製造過程沒有使用磁場。這顯示在圖2c，d中，放大1000倍的MRE切片樣品顯示了非常隨機的鍵分布。與之前的各向異性樣品相比，該各向同性MRE樣品中氣泡的數量和尺寸差異不顯著。如圖3c所示，儲能模量的降低證明了這一點，但並不顯著。該結果不同於各向異性MRE樣品中出現的下降。

3.2.流變特性

圖3描繪了經過和沒有經過氣候處理的所有樣品的儲能模量。如圖3所示，各向異性和各向同性的每個MRE樣品流動強度下的儲能模量降低。在圖3c中，經處理的各向異性MRE樣品顯示出與未經處理的各向同性MRE樣品的儲能模量幾乎相同的儲能模量值。這表明天氣處理會破壞各向異性MRE樣品中出現的粒子鏈排列。顆粒鏈排列的破壞發生在所有各向異性MRE樣品中，並使所有儲能模量值接近各向同性MRE樣品的儲能模量。

圖3顯示，未經處理的各向異性MRE樣品在4 A的電流輸入下具有1.9 MPa的峰值儲能模量值。同時，在相同電流輸入(4 A)下處理的各向異性MRE樣品的峰值儲能模量值為0.37 MPa。

這表明，由於天氣(暴露於紫外線和噴水)的影響，儲能模量值降低了80.5%，這是在一個測試循環中進行的。流變儀測試中的所有電流輸入都出現儲能模量值下降。電流為0、1、2和3安培時，儲能模量值的降低分別為66.67%、78.9%、85.2%和80.5%。與各向同性MRE樣品相比，這種降低非常顯著，如圖4所示。各向異性MRE樣品具有高儲能模量值，這是由於在產生樣品的固化過程中輸入電流時形成的顆粒鏈的排列。

斜坡頻率或頻率掃描是一種特別有用的測試，因為它能夠確定樣品的粘彈性作為時間尺度的函數。儲能模量可以用來衡量樣品的彈性成分，同樣，損耗模量也是樣品的粘性成分。無論哪個模量在特定頻率下占主導地位，都將表明在類似時間尺度的過程中，完全結構化的材料表現出彈性還是粘性。由於懸浮固體、高添加劑濃度、膠體增稠劑等的存在，大多數分散體塗層的機械響應是粘彈性的。，將在體相上誘導結構。

圖4顯示了對處理和未處理的MRE進行各向同性MRE樣品流變儀測試的結果。當測試時，在4A電流輸入下，未經處理的各向同性MRE的儲能模量的峰值僅達到0.37 MPa。該值幾乎與各向異性MRE處理樣品的儲能模量值相同。同時，各向同性處理的MRE樣品的儲能模量值僅達到0.28 MPa的峰值。這表明，在4A電流輸入下，各向同性MRE樣品的儲能模量的值降低了24.3%。這一降低值與各向異性MRE樣品的降低值不可比，後者的平均降低值高達78.3%。這是因為各向同性MRE樣品中顆粒鏈的排列是不規則的，所以對樣品進行的氣候處理不會破壞這種排列，而隻會降低其流變性能。

4.結論

對老化處理和未處理的MRE樣品進行表征。分析顯微照片的結果顯示了處理和未處理樣品之間的顯著差異。處理過的樣品的降解在其增加的粗糙度和顆粒排列的表麵不規則性中是明顯的。使用流變學的表征測試結果顯示儲能模量顯著降低。這種下降高達80.5%，這是由於使用暴露於紫外光下的加速老化機器和連續且重複地向樣品上噴水處理的樣品的老化而發生的。這一過程的發生是由於MRE樣品中排列的顆粒鍵鏈斷裂；因此，在各向異性樣品中形成的MRE粒子鏈被破壞，類似於各向同性樣品。在FTIR測試中，每個樣品顯示出很小的差異，在相同波長下出現幾乎相同強度的峰。然而，一個顯著的因素是在3451cm^-1的波長下，未處理樣品形成OH基團的強度非常低。甚至未經處理的各向異性樣品也幾乎沒有在該波長形成峰。因此，基於天氣處理後的MRE表征的結果，樣品的老化更快，因此樣品性能下降。暴露於紫外光和水噴霧極大地影響了廣泛應用於開放環境中的MREs的性能。這種性能下降在流變特性測試中是明顯的，該測試表明，與未處理的樣品相比，處理的樣品的儲能模量顯著下降。特別是在先進材料和磁流變彈性體領域，這給正在進行的研究帶來了新的挑戰。