Q-SUN Xe-1氙灯加速老化机在流变弹性体性能耐老化研究的应用

摘要

基于磁流变弹性体(MRE)的产品通常位于直接暴露于阳光和雨水的区域。然而，没有关于MRE在加速老化后的行为的具体研究。因此，在本研究中，检查了各向同性和各向异性MRE在加速老化后的化学和流变性质的变化。比较处理和未处理的样本。在没有电流激励的情况下制备具有40重量CIP的MRE样品，并且用1.5 T的磁通量密度制备另一个样品。每个样品都在Q-Sun Xe-1氙灯加速老化机中，在紫外光照射循环和喷水下进行处理。使用FTIR和流变仪进行材料表征，以确定化学和流变性质的变化。形貌分析结果表明，经气候处理后，表面粗糙，出现较多空洞。流变仪测试结果显示，与未处理的MRE样品不同，每个处理过的MRE样品的储能模量显著降低。电流为0、1、2和3安培时，储能模量值的降低分别为66.67%、78.9%、85.2%和80.5%。同时，FTIR测试显示了未处理和处理的MRE样品之间的波峰变化。热重分析(TGA)也显示每个样品的MRE重量降低。然而，对于治疗和未治疗的MRE标本，TGA的下降没有显著差异。在对MRE样品进行的所有测试中，天气加速处理引起了显著的变化。对于选择硅树脂作为MRE基体的开发人员来说，这是一个重要的考虑因素。

1.介绍

橡胶产品的开发进展迅速。除了应用于汽车领域的普通橡胶产品，例如轮胎或其他特种橡胶产品，近几十年来已经提出了传感器和磁场及电磁场保护材料形式的橡胶复合材料。对于这种用途，需要一种新型的橡胶复合材料，其具有非常规的填料作为整合的活性组分。实现这一目的的一种方法是制备一种具有特定填料如磁性颗粒的新材料。磁流变弹性体(MRE)是新一代材料，因其优异的柔韧性、易成型性和对磁场的敏感性而被广泛研究。然而，尽管MRE具有作为复合材料的能力，但由于周围环境的影响，它仍然非常容易受到损坏。MRE老化影响MRE的机械性能和耐久性，导致损坏。一个例子是Kruzelak等人进行的研究，该研究表明，由于在氧化老化过程中橡胶链氧化的形成，磁性复合材料的交联密度增加。他们观察到，与没有老化的样品相比，与橡胶磁性复合材料的模量和硬度相关的机械性能增加了。Masbowski等人研究了MRE样品的热氧化老化。将含有羰基铁颗粒(CIP)和炭黑填料的MRE样品置于70℃的干燥炉中处理两周。由于氧化老化过程，MRE的机械性能略有下降。其他研究人员也得出了类似的结论；随着温度和老化时间的增加，拉伸强度、撕裂强度和硬度显著下降，降幅高达72%。这是由于伴随着水热劣化的分子构型变化导致基体和填料/基体界面之间形成微间隙。

与MRE降解相关的处理已经以几种形式进行，例如热处理，但是这些处理中的一些不能代表天气行为。根据以前的研究，橡胶复合材料/MRE研究仅限于特定的橡胶基质，主要集中在机械性能和交联上。一项研究涉及使用RTV硅橡胶作为大型MRE基体，因为它易于制造。然而，对基于RTV硅酮的MRE对自然条件如阳光、热和降雨的耐受性的深入研究没有受到关注。同时，橡胶复合产品如MRE的应用主要是在直接暴露于阳光和雨水的环境中。因此，这篇文章有助于理解老化的影响，通过使用氙灯加速老化机对各向同性和各向异性的基于硅RTV的MRE样品。通过在红外测试下检查流变性能和材料劣化，实现了新的发现。这一主要发现对于研究人员或设计人员决定是否使用硅树脂作为MRE基质很重要。

2.材料和方法

2.1.样品制备

在这项研究中，MRE样品是基于由40 wt% CIPs和硅酮RTV作为悬浮介质。MRS样品的制备如图1所示。

使用相同的设备制造各向同性和各向异性类型。对于各向异性的MRE样品，混合的硅酮RTV和CIP在0.5 T磁通量密度的影响下固化。该磁通量值通过施加1 ADC电流获得。为了确定该值，在用混合物填充模具之前，使用高斯计测量通量密度。MRE样品在室温(25 ℃)下常规搅拌约10分钟，直到其视觉上均匀。然后，将1%的固化剂NS 625 B(新日铁)加入到搅拌的MRE样品中，然后将其倒入模具中。为了去除小气泡，将混合物置于真空室中进行脱气。

2.2.样品表征

测试方法遵循使用人工气候老化装置的橡胶劣化的标准测试方法。这一过程是在加速老化机Q-SUN Xe-1氙灯加速老化机和ASTM D750中进行的。Q-SUN Xe-1氙灯试验箱是一个桌面型试验箱，它使用一个氙弧灯和可选的喷水器和冷却器来再现全光谱紫外光造成的损害，该灯由美国佛罗里达州Q-Lab制造。

如ASTM D750所述，样品的最大厚度应为0.75毫米，最小厚度应为0.60毫米(0.025英寸)；然而，样品的宽度并不重要。除了ASTM标准厚度之外，还根据流变测试的需要对厚度为1 mm的样品进行了处理，流变测试要求最小厚度为1 mm。默认曝光时间仅为102分钟，随后是18分钟的光照，外加在正面喷水或浸入水中。在暴露于光下的干燥期间，该测试的黑面板温度(BPT)为63 ℃,暴露期间的相对湿度为60%。辐照度水平控制在340纳米。该测试在温度为60°C的未隔热黑色面板中进行了8小时的紫外线暴露循环，随后在黑暗中进行了4小时的冷凝循环，润湿且未隔热黑色面板的温度为50°C。获得的样品是经过处理和未经处理的MRE样品，包括各向同性和各向异性样品。

然后通过诸如形态学、流变学和傅立叶变换红外光谱(FTIR)等几项测试对制备的样品进行表征。为了检查处理过的和未处理的样品的表面，使用荷兰Arnhem的Euromex Microscopen BV的Euromex显微镜“F”系列，在10倍放大倍数(M10)下进行显微照片分析的图像捕捉。这种放大足以清楚地识别处理过的和未处理过的样品之间的差异。对样品表面进行显微照片分析，因为在用加速老化机器处理期间，样品表面直接暴露于紫外线和水中。用于流变仪测试的MRE样品被切割成20 mm的直径。该测试使用安东帕公司的MCR 302流变仪进行。本研究中CIPs和硅橡胶介质之间的MRE样品量基于重量比。将两种成分在室温下手动搅拌10分钟，直至均匀。达到均匀性后，将每个样品倒在模具上，并在凝固前拉平。在25°c下用流变仪测试样品。除了流变仪测试，还对样品进行了FTIR测试，以确定未处理和处理过的MRE样品之间化学化合物的任何变化或差异。使用研钵压模将待通过FTIR测试的MRE样品压碎直至光滑。FTIR测试使用日本岛津Prestige 21 IR，波长规格为12500–240cm^-1，精确度为0.12cm^-1。这台机器的光谱分辨率范围为0.5至2cm^-1。

3.结果和讨论

3.1.显微照片分析

处理和未处理MRE样品表面的显微照片研究对于分析降解程度至关重要。图2a显示了未处理的显微照片样品，图2b显示了使用氙灯加速老化机进行老化处理的显微照片样品。表面退化的影响在这些图像中很明显，结果显示出明显的差异。

处理后，MRE样品表面比原始样品更不规则。即使使用普通显微镜，处理过的样品的粗糙度变化也很明显。表面缺陷可能是由于低分子降解产物的形成，这使得水和可能的分解剂(例如酶)渗透到聚合物本体中，并促进进一步的环境降解。其他用热老化测试MRE的研究人员也发现了这一现象。

使用德国耶拿的卡尔·蔡司公司的SEM(扫描电子显微镜)ZEISS EVO 10进行显微照片分析。对于两种样品变体，分析是以1000倍的放大倍数进行的。本研究中的SEM测试旨在以更大的放大比例更清晰地描述弹性体结构，以便在有和无气候处理的MRE样品之间完成比较。在样品的表面和样品切片的截面上进行测试，以便可以看到在MRE上形成的链结构。比较的样品是各向同性和各向异性的MRE样品，经过处理和未经过老化处理。结果如图2a、2b所示；未经气候处理的各向异性MRE样品具有更整齐排列的结构，其外观是用1 A输入固化的链状排列线。经气候处理的各向异性MRE样品显示出更不规则(随机)的结构。由于样品在处理过程中交替暴露于紫外光下并连续喷水，在经气候处理的MRE样品中更容易看到拉伸网络。拉伸网络的存在和链的随机排列导致MRE的流变性能显著下降，如流变测试结果图所示。

对于未经气候处理的MRE样品，样品切片的链节结构仍然清晰地形成；而在经天气处理的样品中，路径不可见，因为它看起来更随机。根据图表的结果，这导致样品中的性能下降。气候处理仅在样品的表面进行，但是发生在样品中心的冲击通过被测试样品的切片显示。SEM测试的结果如图2所示。使用相同的方法和放大倍数收集数据。此外，表面拉伸网络的数量和大小也有显著差异。在相同的放大倍数下，经气候处理的各向异性MRE样品的表面褪色和变灰。当然，这是紫外线与持续喷水交替暴露于样品的结果。就通过SEM分析的MRE样品的表面和中间/内部之间的颜色变化而言，内部倾向于在处理或不处理的情况下保持相同的颜色，因为内部没有暴露于UV光。同时，从得到的拉伸网络的数量和尺寸来判断，与未处理的MRE样品相比，经气候处理的MRE样品数量更多且均匀地分布在表面的所有部分上，尺寸更小。然而，在这两者中，链结构路径不可见，如在切片MRE样品中清楚看到的。两者结构不规则。

各向同性MRE样品也用相同的方法和放大倍数进行测试。总的来说，SEM结果显示了相似性，如图2c，d所示。经老化处理的样品有更多的气泡。在所有的测试中，无论是在表面还是在切片上都出现了这种情况。然而，与形成链状结构的各向异性MRE样品相反，在该样品中，没有形成结构结合如链，因为制造过程没有使用磁场。这显示在图2c，d中，放大1000倍的MRE切片样品显示了非常随机的键分布。与之前的各向异性样品相比，该各向同性MRE样品中气泡的数量和尺寸差异不显著。如图3c所示，储能模量的降低证明了这一点，但并不显著。该结果不同于各向异性MRE样品中出现的下降。

3.2.流变特性

图3描绘了经过和没有经过气候处理的所有样品的储能模量。如图3所示，各向异性和各向同性的每个MRE样品流动强度下的储能模量降低。在图3c中，经处理的各向异性MRE样品显示出与未经处理的各向同性MRE样品的储能模量几乎相同的储能模量值。这表明天气处理会破坏各向异性MRE样品中出现的粒子链排列。颗粒链排列的破坏发生在所有各向异性MRE样品中，并使所有储能模量值接近各向同性MRE样品的储能模量。

图3显示，未经处理的各向异性MRE样品在4 A的电流输入下具有1.9 MPa的峰值储能模量值。同时，在相同电流输入(4 A)下处理的各向异性MRE样品的峰值储能模量值为0.37 MPa。

这表明，由于天气(暴露于紫外线和喷水)的影响，储能模量值降低了80.5%，这是在一个测试循环中进行的。流变仪测试中的所有电流输入都出现储能模量值下降。电流为0、1、2和3安培时，储能模量值的降低分别为66.67%、78.9%、85.2%和80.5%。与各向同性MRE样品相比，这种降低非常显著，如图4所示。各向异性MRE样品具有高储能模量值，这是由于在产生样品的固化过程中输入电流时形成的颗粒链的排列。

斜坡频率或频率扫描是一种特别有用的测试，因为它能够确定样品的粘弹性作为时间尺度的函数。储能模量可以用来衡量样品的弹性成分，同样，损耗模量也是样品的粘性成分。无论哪个模量在特定频率下占主导地位，都将表明在类似时间尺度的过程中，完全结构化的材料表现出弹性还是粘性。由于悬浮固体、高添加剂浓度、胶体增稠剂等的存在，大多数分散体涂层的机械响应是粘弹性的。，将在体相上诱导结构。

图4显示了对处理和未处理的MRE进行各向同性MRE样品流变仪测试的结果。当测试时，在4A电流输入下，未经处理的各向同性MRE的储能模量的峰值仅达到0.37 MPa。该值几乎与各向异性MRE处理样品的储能模量值相同。同时，各向同性处理的MRE样品的储能模量值仅达到0.28 MPa的峰值。这表明，在4A电流输入下，各向同性MRE样品的储能模量的值降低了24.3%。这一降低值与各向异性MRE样品的降低值不可比，后者的平均降低值高达78.3%。这是因为各向同性MRE样品中颗粒链的排列是不规则的，所以对样品进行的气候处理不会破坏这种排列，而只会降低其流变性能。

4.结论

对老化处理和未处理的MRE样品进行表征。分析显微照片的结果显示了处理和未处理样品之间的显著差异。处理过的样品的降解在其增加的粗糙度和颗粒排列的表面不规则性中是明显的。使用流变学的表征测试结果显示储能模量显著降低。这种下降高达80.5%，这是由于使用暴露于紫外光下的加速老化机器和连续且重复地向样品上喷水处理的样品的老化而发生的。这一过程的发生是由于MRE样品中排列的颗粒键链断裂；因此，在各向异性样品中形成的MRE粒子链被破坏，类似于各向同性样品。在FTIR测试中，每个样品显示出很小的差异，在相同波长下出现几乎相同强度的峰。然而，一个显著的因素是在3451cm^-1的波长下，未处理样品形成OH基团的强度非常低。甚至未经处理的各向异性样品也几乎没有在该波长形成峰。因此，基于天气处理后的MRE表征的结果，样品的老化更快，因此样品性能下降。暴露于紫外光和水喷雾极大地影响了广泛应用于开放环境中的MREs的性能。这种性能下降在流变特性测试中是明显的，该测试表明，与未处理的样品相比，处理的样品的储能模量显著下降。特别是在先进材料和磁流变弹性体领域，这给正在进行的研究带来了新的挑战。