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1、 國 成 功 大 學 土 木 工 程 研 究 所 碩 士 文 熱 化 對 橡 膠 材 疲 壽 命 之 影 響 研 究 生 : 世 挺 指導教授 : 黃 忠 信 中華民國九十四月 摘要 橡膠材目前已廣泛地應用於許多工程域，土木工程所使用 之減震墊即為其中之一。橡膠減震墊承受反覆負載作用，長時間 使用下橡膠會因疲而產生縫，縫漸次延展將導致橡膠材破 壞，使得減震墊吸能效果大幅減弱。由於橡膠內微結構存在孔隙， 該孔隙瑕疵於承受外作用時，因應集中，使得微結構孔隙 斷衍生，最後成為肉眼可視的縫。碳黑為橡膠製造時常用的補強 劑，本研究採用三種同徑的碳黑，將三種橡膠試片置於高溫 中，加速氧化進並施作疲試驗，從
2、試驗結果觀察化對橡膠材 質抗疲能之影響，且可獲得橡膠疲之相關材常，以供後 續研究橡膠紋成長機制之用。 I 誌謝 承蒙恩師 黃忠信教授於課業與為人處事方面給予 悉心指導與教誨。研究期間，實驗過程中難免有可預期意外 發生，幸賴有師做後盾，將遭遇之困難一一化解，讓我無後 顧之憂。撰寫之文內容經師細心批改，逐字斧正，使原本 生澀的文字，成為一篇架構嚴謹的文章，最後本文得以順 完成，僅此向師致上最誠摯之謝意。文口試承蒙 育芸 教授與 鍾興陽教授慷慨指陳，提出干問題及改進建議，使 本文臻完美，在此由衷地感激。 感謝雄偉學長於實驗進與文撰寫期間給予的建議與協 助，讓我從懵懵懂懂到進入況。感謝研究室志賢學長、
3、晉聰 學長、Kaku 學長及宗毅學長的照顧與經驗傳承；美怡學姊與婷 容學姊在學術研究的能與專注無疑屬上乘，是我學習的榜 樣；其賢、秉宥與振鵬學長於球時間相互磋，讓我球技從 無到有。同窗的同學安安、志榮、震宇、泰，很高興能 跟你們一起學習成長。感謝榮退歸建研究室的元哥，在我碩 一時提供課業幫助與分享人生經驗。學弟妹儀婷、家瑋、 Dimo 與阿凱，謝謝你們散佈歡，讓我碩二研究生活至於枯 燥乏味。還有好友愷、耀祖及信宏，大學以一起渡過許多 大小事，受到你們很多幫忙，萬分感激。 最後，謹以本文獻給我最愛的父母與家人，感謝你們對我 的關愛與栽培，讓我能順完成學業。 II 目 摘要 誌謝 目 表目 圖目
4、第一章 緒 1 1.1 研究動機與背景. 1 1.2 本文組織與內容. 3 第二章 相關與文獻回顧 4 2.1 橡膠材簡介. 6 2.1.1 橡膠之基本性質 6 2.1.2 橡膠材熱化後之材質變化 7 2.2 橡膠縫成長機制 7 2.2.1 能釋放與應變能密之關係 7 2.2.2 單軸伸下 k 值之分析 9 2.3 疲破壞 12 2.3.1 疲沿革簡介. 12 III 2.3.2 橡膠材之疲特性 14 2.4 碳黑補強劑簡介 15 2.4.1 碳黑之聚集結構 16 2.4.2 命名原則 17 第三章 橡膠之單軸伸試驗. 29 3.1 試體準備 29 3.2 單軸伸試驗方法 30 3.3 單軸伸
5、試驗結果. 30 第四章 橡膠之單軸疲試驗 53 4.1 試驗器材. 53 4.2 試驗步驟. 53 4.3 橡膠之疲壽命計算法. 54 4.4 試驗結果與討. 56 第五章 結. 70 考文獻. 72 IV 表目 表 2-1 碳黑的製造方法 18 表 2-2 碳黑的命名分 19 表 3-1 實驗所用碳黑之特性與比較 34 表 3-2 各組橡膠的彈性模 35 表 3-3 各組橡膠推得之固有縫大小 36 表 4-1 EP220 橡膠能與疲壽命的關係 61 表 4-2 EP330 橡膠能與疲壽命的關係 62 表 4-3 EP990 橡膠能與疲壽命的關係 63 表 4-4 固有縫大小與材常. 64
6、V 圖目 圖 2-1 互相纏結之橡膠分子結構 20 圖 2-2 (a)橡膠之長鏈互相混糾纏之分子結構(b)分子結 構受作用時產生伸直且規則化之現象 20 圖 2-3 橡膠性質與交密之關係 21 圖 2-4 變形前含中央縫長 2c 的橡膠片. 22 圖2-5 當受變形時產生長2a高2b的橢圓形開口. 22 圖 2-6 Greensmith 所實驗的 k 與伸張比間的關係圖，同形 的點代表同成分的橡膠試體 23 圖 2-7 疲載重示意圖 23 圖 2-8 相同疲壽命下應範圍與平均應之關係圖 24 圖 2-9 應範圍與疲壽命之關係圖 24 圖 2-10 應變與疲壽命之關係圖 25 圖 2-11 在
7、R=0 的條件下，疲成長區域示意圖 （是 SBR,?是 NR）. 26 圖 2-12 碳黑結構尺寸分佈. 27 圖 2-13 碳黑結構組成示意圖 28 VI 圖 3-1 CNS 3553 橡膠伸試體之尺寸. 37 圖 3-2 EP220 橡膠與伸長關係圖. 38 圖 3-3 EP330 橡膠與伸長關係圖. 39 圖 3-4 EP990 橡膠與伸長關係圖. 40 圖 3-5 EP220 橡膠縫與破能關係圖. 41 圖 3-6 EP220 橡膠個月熱化後縫與破能關係圖. 42 圖 3-7 EP220 橡膠四個月熱化後縫與破能關係圖. 43 圖 3-8 EP220 橡膠個月熱化後縫與破能關係圖. 4
8、4 圖3-9 EP330橡膠縫與破能關係圖. 45 圖 3-10 EP330 橡膠個月熱化後縫與破能關係圖. 46 圖 3-11 EP330 橡膠四個月熱化後縫與破能關係圖. 47 圖 3-12 EP330 橡膠個月熱化後縫與破能關係圖. 48 圖 3-13 EP990 橡膠縫與破能關係圖. 49 圖 3-14 EP990 橡膠個月熱化後縫與破能關係圖. 50 圖 3-15 EP990 橡膠四個月熱化後縫與破能關係圖. 51 圖 3-16 EP990 橡膠個月熱化後縫與破能關係圖. 52 圖 4-1 三種橡膠試體之疲壽命與能圖 65 圖 4-2 EP220 橡膠試體與化後試體之疲壽命與能圖 6
9、6 圖 4-3 EP330 橡膠試體與化後試體之疲壽命與能圖 67 VII 圖 4-4 EP990 橡膠試體與化後試體之疲壽命與能圖 68 圖 4-5 固定能下三種橡膠試體疲壽命與化時間關係圖. 69 VIII 第一章 緒 1.1 研究動機與背景 自從發現天然橡膠以，橡膠所具有之各種優工程性質，使 其已廣泛地應用於人日常生活中。由於橡膠具有好彈性為及 變形回能，舉凡防撞、防震、胎等，皆是橡膠材之應用範 疇。橡膠受到重視與開始大規模研發與生產，始於 20 世紀 30 代 末期及 40 代初期，主要是由於蓬勃發展的汽工業和第二次世界 大戰軍事需求，者激所導致的結果。 如今橡膠材除應用於防撞吸震、隔
10、音等裝置外，因其所具 備之高壓縮強、好吸能效果及回能等特性，亦已廣泛地應 用於建築物及橋樑之隔震系統中，以期達到減震消能之目的。 土木建築工程用的隔震器形式種繁多1，如積層橡膠墊、 鉛心橡膠墊、積層橡膠搭配鋼棒阻尼、動系統搭配阻尼器等。其 中以橡膠支承墊作為結構物之隔震系統最為常，其原因乃是橡膠 之工程性質於其他土木工程材，尤具有下優點2： （1） 壓縮強高。 （2） 好之吸能效果。 （3） 具有承受大變形且回之能（剪變形約為鋼材 160,000 倍） 。 （4） 好之電絕緣體。 （5） 較佳之疲、磨損及侵蝕抵抗能。 （6） 於造型。 1 當橡膠作為減震墊時，常需承受反覆載重作用，材質因而容
11、發生疲現象，橡膠表面平整或製造時內部產生缺陷，皆將導 致疲破壞加速發生。橡膠層受循環載重作用時，受壓膨脹體積將 因紋成長而脫，此時其減震效果將大打折扣，甚至喪失吸能效 果，因此，設計橡膠減震墊時，對於橡膠層疲壽命之預估就顯得 為重要。 此外，由於橡膠材常應用在同環境內，當處於高溫、高濕 及強日光照射之環境下，橡膠將產生分子結構之變化，如產生 分子結構網化而變脆變硬，或分子被破壞而呈現黏著化現象，皆 會低橡膠原有之好物性質，同時內部將產生許多瑕疵。此 因受外界環境作用而改變橡膠材性質之現象，稱為化(Aging)或 退化(Deterioration)，根據同之環境作用條件，或同型之橡膠， 其化形式
12、與速亦可能差甚大。橡膠層墊中之橡膠產生化現 象時，其材質改變勢必對減震墊之隔震吸能效果有所影響。 由於減震墊破壞肇因於橡膠材產生疲破壞，而橡膠內部由 於微結構排的缺陷生成許多空隙，形成固有縫，為橡膠中紋 生長的起源。另外，環境因素使橡膠材質發生化，同樣會對橡膠 內部微結構產生變化，此化為對橡膠材質的疲壽命到底有多 大影響？故本文採用三種同徑碳黑填充所製橡膠片，分別置 於烘箱進個月、四個月及個月熱化處，透過現有與 疲試驗，比較試驗所得各項材常，觀察受熱化作用後橡膠 材性質將如何變化。 2 1.2 本文組織與內容 本文內容共分為五章： 第一章 緒。介紹本文之研究背景、動機與方向。 第二章 相關及文
13、獻回顧。先針對橡膠之微觀結構、基本性 質等作一探討，再針對橡膠材於受單軸伸作用時，試體縫與 能釋放間的分析作一回顧與整，同時，介紹橡膠疲破壞特 性。 第三章 橡膠之單軸伸試驗。比較各組橡膠經熱化前後的基 本機械性質，並從實驗結果推算橡膠材中固有縫之大小。 第四章 橡膠之單軸疲試驗。用疲試驗獲得橡膠材質相關 常，並比較化時間及碳黑徑種對橡膠疲壽命的影響。 第五章 本文結及建議。 3 第二章 相關與文獻回顧 橡膠為一高分子材，由具變形能之高分子鏈結合而成，經 化過程處後，擁有高彈性變形能。橡膠材之物性質，如強、 彈性模、抗疲能及耐熱等，皆隨化程、添加物、及抗 化劑種而同。 橡膠材於使用或儲存過程中
14、 ， 常因外界環境影響而產生材質損 害現象，最後導致橡膠材強減低或吸能效果減弱。對橡膠材而 言，常之環境影響因素包括3： （1）溫：一般而言，橡膠材隨溫升高而軟化，橡膠使 用溫非常接近其化溫時，橡膠將因持續化而使材質變硬。當 所處環境溫很高時（350） ，橡膠先產生軟化現象，然後再分解 成脆化之樹脂。溫化常造成橡膠材勁之改變，如此亦將改 變橡膠之吸能效果。 （2）氧、臭氧及紫外線：氧及臭氧常導致橡膠表面產生紋及 痕等化現象，進而低橡膠之使用壽命，尤其臭氧之侵蝕，將使 橡膠中化學鍵產生斷，對於橡膠抗強之影響極大。此外，長 時間於紫外線照射環境下，亦將使橡膠材質漸次改變。 （3）疲：減震墊中之橡膠
15、，常因承受反覆外加載重作用，材 質容產生疲現象。橡膠表面平整或製造時所形成之內部缺陷， 皆將導致破壞加速形成，尤其反覆載重所產生之熱能，將使橡膠先軟 化而後變脆，引起橡膠層墊產生脫膠為。 4 （4）潛變：橡膠因承受一固定載重而發生潛變為，其效應可 區分為物及化學種機制。物性潛變過程，乃是橡膠承受固定載 重作用時，此聚合物內部進分子重新排，使得其局部應最小。 化學性潛變，乃是由於大氣中氧及臭氧，對橡膠產生持續性化學解 作用造成。 （5）添加物：常加入碳、或其他添加物，以加強橡膠之學 性質，並延長其使用壽命。一般而言，橡膠中之多鍵結構可增強抗 強，但卻低其耐壓縮性，而碳-碳交之抗張強較差，但耐 壓縮性卻較佳。藉由調整天然橡膠與添加物之比，可製造符合各種 特殊功能需要之橡膠。 相關文獻多使用破壞學
