矽橡膠墊圈材料單軸壓縮鬆弛負荷實驗與單軸拉伸鬆弛負荷實驗….…6

本研究採用之密封墊圈材料型號為 Silopren LSR2020，其具備如高熱穩定性、

不易燃、與不易老化等多種良好性能。首先執行矽橡膠材料LSR2020 之單軸壓縮 鬆弛實驗，實驗試片係根據ASTM D1418 規範製作，單軸壓縮鬆弛實驗試片為直 徑18mm 與高度 25.5mm 之圓柱體，顯示於圖 3-1。將試片架設於靜態油壓萬能材 料試驗機INSTRON 5569，以 5mm/min 等速率進行下壓，試片達公稱應變量 (nominal strain) 30%後，持續保持 3600 秒，圖 3-2 為矽橡膠之單軸壓縮鬆弛實驗設 置圖。相對應實驗量測數據顯示於圖3-3，其標示公稱應力(nominal stress)誤差區 間為其平均值±1 個標準差(standard deviation)，前 92 秒期間矽橡膠試片之公稱應變 與時間關係大致呈現線性變化，接續固定應變量，至200 秒間應力值呈相對快速 下降，爾後應力值則呈現緩慢減少趨勢。接續執行矽橡膠之單軸拉伸鬆弛實驗，

單軸拉伸鬆弛實驗試片為標距2.5 公分、標距寬度 4 公分、與厚度 2 公分之啞鈴形，

顯示於圖3-4。亦將試片架設於上述靜態油壓萬能材料試驗機，以 5mm/min 等速 率進行拉伸，試片達公稱應變量50%後，持續保持 3600 秒，圖 3-5 為矽橡膠之單 軸拉伸鬆弛實驗設置圖。相對應實驗量測數據顯示於圖3-6，其標示公稱應力誤差 區間為其平均值±1 個標準差，前 192 秒期間矽橡膠試片之公稱應變與時間關係大 致呈現線性變化，接續固定應變量，至306 秒間應力值呈相對快速下降，爾後應 力值則呈現緩慢減少趨勢。

圖3-1 矽橡膠之單軸壓縮試片

圖3-2 矽橡膠之單軸壓縮鬆弛實驗設置圖

圖3-3 矽橡膠之單軸壓縮鬆弛實驗量測數據圖，誤差線表示為平均值±1個標準差

圖3-4 矽橡膠之單軸拉伸試片

圖3-5 矽橡膠之單軸拉伸鬆弛實驗設置圖

圖3-6 矽橡膠之單軸拉伸鬆弛實驗量測數據圖，誤差線表示為平均值±1個標準差

3-2 二合一連接器密封實驗

二合一連接器雖具備氣密要求，然並無氣體密封相關實驗規範，業界通常採 用國際防護等級認證(international protection marking) IEC 60529 防護等級 7 (IPX7) 所制定之實驗條件，輸入規範水深高度轉換之等效氣壓值於矽橡膠墊圈與連接器 所形成密閉腔體，要求最終損失氣壓值不得大於通入初始氣壓值百分之二，各防 護等級如表3-1 所示。本研究利用連展科技公司設計之密封實驗機台，架設其於插 拔力試驗機，控制探頭向下壓迫矽橡膠墊圈位移量(爾後於本文通稱下壓量)，分別 為0.2mm、0.3mm、與 0.4mm，其應變量範圍相當於 5%至 10%之間。本實驗採用 之儀器亦或配件如下：圖3-7 為二合一連接器與其匹配之矽橡膠墊圈；圖 3-8(a)與 圖3-8(b)分別為連展科技公司所提供之密封實驗金屬治具連接器固定端與矽橡膠 固定端；圖3-9(a)為順瀅公司所製造型號為 1220S 之插拔力試驗機，量測三種下壓 量之正向力量，記錄於規範時間內矽橡膠墊圈力量變化值，圖3-9(b)為 PISCO 公 司所製造型號為UB0640 之聚氨基甲酸乙酯管，藉以輸送氣體至密閉腔體與數位壓 力錶，圖3-9(c)為福鎰銅器公司所製造之銅接頭與開關，藉以控制腔體與空氣壓縮 機之管線連通性，圖3-9(d)為 ATLANTIS 公司所製造型號為 DPG-3.0 之數位壓力 錶，藉以量測密閉腔體內之氣壓值變化，圖3-9(e)為 PISCO 公司所製造之逆止閥，

藉以避免氣體回流至空氣壓縮機，與圖3-9(f)為 LUOWEI 公司所製造型號為 GM-1004 之空氣壓縮機，用於提供合宜氣體來源輸入規範氣壓於密閉腔體。將上 述之儀器與配件適當安裝，圖3-10 係二合一連接器密封實驗之架設示意圖，圖 3-11 則為二合一連接器密封實驗連接器擺放相對位置圖，經由插拔力試驗機量測矽橡 膠固定端之正向力量，藉以比對有限元素分析之結果。圖3-12 顯示三種下壓量分 別進行五次實驗之矽橡膠固定端平均正向力量與時間關係圖，接續經由數位壓力 錶量測密閉腔體之壓力值，並計算相對應之壓力損失百分比，如圖3-13 所示為三 種下壓量分別進行五次實驗之平均壓力損失百分比與時間關係圖。由上述實驗結

果可知當矽橡膠墊圈下壓量增加時，相對應正向力量隨其上昇，而壓力損失百分 比則隨之降低。

表3-1 國際防護等級認證 IEC 60529

防護等級 防護規範

0 無保護

1 可承受垂直落下水滴滴至產品外殼，並無造成影響

2

可承受呈15 度角水花直接噴灑至產品外殼，並無造成影 響

3

可承受呈 60 度角水花直接噴灑至產品外殼，並無造成影 響

4

可承受任何角度水花直接噴灑至產品外殼，並無造成影 響

5

可承受任何角度低壓水柱噴射至產品外殼，並無造成影 響

6

產品可使用於船艙內之環境，且可承受強力水柱噴射，

並無造成影響

7 產品允許放入1 公尺水深達 30 分鐘

8 產品可長時間放置於一定水深

圖3-7 二合一連接器與矽橡膠墊圈

(a) (b)

圖3-8 (a)連接器固定端金屬治具與(b)矽橡膠固定端金屬治具

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖3-9 (a)插拔力試驗機、(b)聚氨基甲酸乙酯管、(c)銅接頭與開關、(d)數位壓力錶、

(e)逆止閥、與(f)空氣壓縮機

圖3-10 二合一連接器密封實驗架設示意圖

圖3-11 二合一連接器密封實驗連接器擺放相對位置圖 聚氨基甲酸乙酯管

空氣壓縮機

二合一連接器 力量感測器

夾具

矽橡膠墊圈

銅接頭與開關 數位壓力錶 插拔力試驗機

圖3-12 平均正向力量與時間關係圖，誤差線表示為平均值±1 個標準差

0 500 1000 1500 2000

Force (N)

Time (s)

Experiment - 0.2mm Experiment - 0.3mm Experiment - 0.4mm

0

0 1000 2000 3000 4000

Pressure loss percentage (%)

Time (s) Experiment - 0.2mm

Experiment - 0.3mm Experiment - 0.4mm