Page 32 - 理化检验-物理分册2024年第十二期
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刘雨林，等：核电站用橡胶软管老化评估方法


              HNBR橡胶密封件的热老化行为，因其高温高压的                           阶段减弱，但又由于低分子量添加剂（如润滑剂）的
              服役环境与核电站类似，故具有较大的参考价值。                            流失，峰值会随着老化温度的升高和时间的延长反
              通过DSC测试发现，高温老化后材料的玻璃化转变                           而升高。其他研究也发现，EPDM、NBR、SBR                  [31] 老
              温度升高，熔点降低，推测是由于初始交联的发生和                           化时，这一波段的峰值强度会显著下降；在高温和长
              进一步断链所导致的。除了单独使用DSC，还可联                           时间暴露下，NBR的某些峰甚至会完全消失。
              合其他表征技术进行深入研究。GUO                  [20] 等在针对      3.7  微观结构分析
              SBR热氧老化的研究中，通过利用DSC和傅里叶变                               常用扫描电子显微镜（SEM）直观观察外覆层
              换红外吸收光谱仪（FTIR）分析其热氧老化降解机                          橡胶老化前后的微观结构变化，如裂纹、孔洞等。
              制，发现这是一个包含4个步骤的自催化过程，分别                           例如，随着老化时间的延长，通过SEM可观察到
              是烷基自由基生成、初始和深度的氧化过程、链终止                           EPDM橡胶表面出现了明显的裂纹和孔洞，表明橡
              反应。                                               胶发生了热氧降解。对经过热老化处理后的TPU
                  除此之外，还可用热重分析仪（TGA）测定失                         橡胶进行SEM分析         [32] ，发现老化导致裂纹和孔洞数
              重率和热分解温度等指标，研究高温老化对软管中                            量增加，使表面结构趋于复杂。裂纹的扩展会使材
              橡胶材料的影响        [21] 。如PORTER等    [22]  在研究丁腈      料在拉伸过程中产生应力集中，导致材料更早断裂，
              橡胶O型圈时，通过TGA测出质量分数为8%的小                           从而降低抗拉强度和断后伸长率；孔洞增加了材料
              分子量增塑剂损失，这很好地佐证了在力学性能测                            的内部缺陷，使得应力容易集中在这些区域，进一步
              试中所得出的老化试样复合刚度的提升，表明高温                            降低了材料的力学性能。
              对材料产生了巨大影响。相反地，对高温老化后的                                 此外，SEM还可结合EDS（能谱分析）进行局
              EPDM试样进行TGA分析，发现质量减小不超过                           部元素分析，以确定老化过程中化学成分的变化。
              50%，表明材料热稳定性仍维持在较高水平，不易发                          LIU等   [33] 用SEM展示了NBR老化过程中橡胶表面
              生热分解     [23] 。                                   逐渐出现的微观裂纹和剥落现象，同时用EDS揭示
              3.6  化学成分分析                                       了在加速热老化环境中，NBR表面的氧含量显著增
                  红外光谱广泛用于橡胶等聚合物的分析，可利用                         加，且氧化反应从表面开始，逐渐向内部扩展，导致
              该方法判断橡胶材料种类            [24] ，追踪橡胶软管中橡胶材           材料内部结构的变化和表面损伤的加剧。
              料的变化    [25] ，尤其是外覆层老化过程中的化学变化。                   4  结语
                  例如，针对外覆层中常用的Cr材料， 研究者利用
                                                                     核电站用橡胶软管的研究与开发对于保障核电
              ATR-FTIR（衰减全反射-傅里叶变换红外光谱法）
                                                                站安全运行和延长设备寿命具有重要意义。针对核
              分析其老化后的化学变化，发现在波数为3 400 cm                  −1
                                                                电站的高温高压、辐射及腐蚀等严苛环境，通过详细
              和 1 708~1 710 cm  − 1  处分别出现特殊峰       [26] 。前者
                                                                分析橡胶软管的构造、分类、应用环境和性能要求
              是参与氢键形成的羟基伸缩振动峰，后者则证明形
                                                                等，可以明确橡胶软管的材料选择和结构设计在提
              成了羰基，这两种峰都表明热氧产物的增加，证明
                                                                升其性能和延长服役寿命方面起到了关键作用。
              试样发生了热氧老化          [27] 。其他橡胶材料如 EPDM、
                                                                     在实际应用中，利用力学性能测试、耐介质测
                  [28]
                           [29]
              NBR 、FKM ，也在波数为1 700~1 800 cm             −1  处
                                                                试、耐老化测试、热学性能分析、化学成分分析、微
                                                  −1
              出现羰基峰；而在波数为3 200~3 400 cm 处，SBR、
                                                                观结构分析等多种老化评估方法，可全面了解橡胶
              EPDM等材料老化后也出现了羟基峰。这两种范围
                                                                软管的老化过程及其机制。这些评估方法为研究人
              内的特征峰皆可归因于氧化产物的增加，这是热氧
                                                                员提供了有效工具，有助于深入探究橡胶软管在核
              老化发生的有力证明。
                                                                电环境下的老化行为，为改进橡胶软管材料和优化
                  除此之外，波数为2 800~3 000 cm         −1 波段的吸
                                                                设计提供了科学依据。
                                                          −1
              收峰也值得关注。在波数为2 848 cm            −1 和2 918 cm
              处的吸收峰分别是—CH 2 —基团的对称和不对称                          参考文献：
              伸缩振动峰，它们在不同橡胶材料老化时展现了
                                                                  [1]  张永发．积极开展核电研究开辟能源新途径[J]．能源
              各异的变化。如老化后的NR材料，这两个峰的                                  与节能，2021(3)：2-4．
              强度基本保持不变          [30] ，而 75  ℃下的HNBR材料在            [2]  欧阳予．秦山核电站[M]．杭州：浙江科学技术出版社，
              2 800~3 000 cm  −1 波段的两个峰值也是在开始老化                      1992．
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