ASTM D1056柔性多孔橡胶标准解读及在北美屋顶单元机设计中的应用

王进良

（特灵科技亚太研发中心，江苏 太仓 215400）

0 引言

ASTM D1056是美国材料与实验协会针对柔性多孔橡胶编写的标准，它对柔性多孔橡胶进行了详细的分类，规定了各等级橡胶所对应的物理特性同时对各项试验进行了详细介绍。与之对应的国际标准为ISO 6916，我国使用的标准为GB/T 18944.1。

ASTM D1056 适用于柔性多孔橡胶产品如海绵橡胶和发泡橡胶，但不适用于乳胶泡沫橡胶或硬泡沫橡胶。柔性多孔橡胶根据孔结构分为开孔和闭孔，它们的基材可以由合成材料、天然橡胶、再生橡胶或混合物制成，并可能含有其他聚合物或化学品，或兼而有之，可由有机或无机添加剂进行改性而成。通常情况下，海绵橡胶为开孔，发泡橡胶为闭孔，这是由其制造工艺所决定的。在当今的北美屋顶单元机的设计制造过程中，为满足不同环境和各种结构和制冷性能的柔性多孔橡胶[1-2]被广泛应用，本文将对ASTM D1056中提及的内容做一个基本的总结和解读，并就如何在屋顶单元机中正确使用柔性多孔橡胶提出一些见解以供工程设计人员参考。

ASTM D1056从第一版开始至今已经发展了50多年，有很多版本的迭代更新，最新版本为ASTM D056—2020，考虑到版本运用的广泛性且最近版本的更新变化不大，本文所述规范全部采用较新且广泛使用的ASTM D1056—2014进行讨论。另外，ASTM还有一个和D1056非常类似的规范D1667，该规范额外附加了PVC闭孔泡棉的内容，本文不作详细讨论。

1 柔性多孔橡胶分类

如图1所示，柔性多孔橡胶的牌号通常是3位，由数字和字母的组成。第一位为数字，表示橡胶孔结构类型；第二位为字母，表示对石油基的相对耐油性和耐高温要求；第三位为数字，基于特定的压缩扰度范围来表示柔性多孔橡胶的硬度，共分为6个等级。另外，牌号后面还可以加上由字母A～Z的后缀，以满足不同产品的设计需求。

图1 牌号举例

1.1 柔性多孔橡胶类型

如表1所示，ASTM D1056柔性多孔橡胶根据孔结构分为两类：1）开孔结构。是指橡胶由孔结构组成并一直延伸到橡胶表面，从视觉上看犹如海绵。2）闭孔结构。是指橡胶由孔结构组成但没有延伸到橡胶表面层，视觉上看表面光滑，但是截面犹如海绵。

表1 柔性多孔橡胶类型

1.2 柔性多孔橡胶类别

如表2所示，类型1（开孔橡胶）和类型2（闭孔橡胶）分别又被分为A、B、C、D四种类别。在一些常用的柔性多孔橡胶材料中，三元乙丙橡胶或者丁苯橡胶属于类别A；丁腈橡胶属于类别B；氯丁橡胶属于类别C；硅橡胶属于类别D。将这些基材混合制造生产出来的新材料，也可以满足不同类别所具有的属性要求。

表2 柔性多孔橡胶类别

1.3 柔性多孔橡胶等级

每种柔性多孔橡胶的类型和类别又被分成以数字0～6为代表的6种等级，数字越小代表该等级的橡胶越软。表3中压缩数据是指压缩材料厚度（1.5～3 mm）的25%后得到的数据，关于具体的柔性多孔橡胶样本测试方法参见ASTM D412标准，此文不再详述。

表3 柔性多孔橡胶等级

1.4 柔性多孔橡胶牌号的后缀

带有后缀的牌号表示该柔性多孔橡胶除了满足基础性能外所能达到的额外测试结果的性能。其中一些后缀是代表通过了D1056标准所规定的测试设定；另外，还有较多的后缀是由采购商和供应商之间协商达成的测试设 定 ，而D1056 标准并没有做出严格规定。后缀代表的含义如表4所示。

表4 柔性多孔橡胶牌号的后缀

以图1所示牌号为例，后缀A1表示试件按照D1056标准的第16至第23章节的要求进行老化测试，条件设定为在100 ℃的温度下保持22 h后，试件需要满足压缩挠度变化不大于30%；后缀F3表示试件在D1056标准的第57至第61章节要求，试件在-40 ℃条件下保温5 h，然后在2～3 s内180°弯曲试件，试件仍能保持柔韧且无开裂现象。

具体后缀测试要求这里不再详述，参见D1056 TABLE 3 ASTM Test Methods。

2 测试

D1056标准描述了部分柔性多孔橡胶的测试内容，主要包含了如下几个测试项目：1）一般物理测试要求。详细内容参见ASTM D3182及D3183标准。2）老化测试。具体测试方法参见ASTM D573标准，和D573标准描述不同的更改部分参见D1056标准的第16至第23章节。3）压缩形变。此测试针对牌号后缀B讨论，具体测试方法参见D1056标准第50至第56章节。4）流体浸泡。此测试针对牌号后缀E讨论，具体测试方法参见ASTM D471标准和D1056标准第24至第34章节。5）低温测试。此测试针对牌号后缀F讨论，具体测试方法参见D1056标准第57至第61章节。

本文主要目的是对标准的解读和在北美屋顶单元机中的应用，故对具体测试内容不再详述。

3 北美屋顶单元机简介

屋顶单元机在北美市场应用非常广泛，大量应用于学校、商场、制造工厂、餐馆等。根据需求，制冷量跨度也非常大，例如笔者就职的特灵公司，屋顶单元机制冷量跨度范围为10.6～570 kW。同时，北美市场的空调系统在冬季除了采用热泵制热，还大量采用燃气加热和电加热的解决方案。图2为典型小吨位屋顶单元机，根据模块功能不同，现将其分成A、B和C三个区域：1）区域A。区域A为屋顶单元机的回风通道所在位置，回风通道通常布置在蒸发器下部或者背面，以满足不同客户需求。该区域的左侧端面也可安装新风系统（图2未安装新风系统）。2）区域B。区域B为屋顶单元机送风通道所在位置，同样送风通道可位于底部或者背面。该区域的上部为送风风机，中间为燃气选项或者电加热选项位置。区域A+B通常叫做屋顶单元机的室内侧。3）区域C。区域C为压缩机、冷凝器、管路、冷凝风机、控制盒等模块和元器件的位置，这个位置通常叫做屋顶单元机的室外侧。

图2 北美屋顶单元机

4 柔性多孔橡胶在屋顶单元机中的应用

柔性多孔橡胶的主要应用为减震和密封，参考本文中关于柔性多孔橡胶分类中所列出的类型、类别、等级和后缀所述内容。为了给设计工程师提供更直观的参考，现列举几个常用柔性多孔橡胶材料在屋顶单元机中的应用。

4.1 三元乙丙橡胶

三元乙丙橡胶[3]属于类别A，不耐油，故不推荐任何与油脂、汽油和碳氢化合物溶剂接触的应用。但是除此之外，三元乙丙橡胶拥有杰出的耐臭氧性、耐候性和耐老化性，所以特别适合在室外屋顶单元机上使用，不仅如此，三元乙丙橡胶的耐水性、耐酸碱性、耐氧化溶剂性和在低温条件下的柔韧性也异常出色。最后，三元乙丙橡胶对冷热水、乙二醇、蒸汽的耐受性和电绝缘性能也极其优良。从以上的性能介绍可以看出，三元乙丙橡胶几乎可以适用于屋顶单元机A/B/C任意区域的密封和减震，工程师选型只需要避开潜在油脂类污染区域，从成本角度考量后，在非关键区域使用成本较低的其它柔性多孔橡胶。

4.2 丁腈橡胶

丁腈橡胶属于类别B。丁腈类化合物具有非常好的耐油性、渗透性、耐热性和耐磨性。化合物配方中使用的丁腈比例越高，则耐碱、耐酸的性能越好。丁腈橡胶必须经过添加抗氧化剂等成分的特殊复合，才能抵抗臭氧、阳光和自然老化，并且对含氧溶剂的抵抗力较差。丁腈橡胶在耐油性和耐溶剂性方面优于氯丁橡胶，但不建议在暴露于恶劣风化的情况下应用。因此，在屋顶单元机的设计中，工程人员应该尽量避免丁腈橡胶用于机器外部的密封、振动及区域C中使用，如果在B区域使用，如果靠近温度较高的燃气或者电加热模块，也要考虑特定供应商制造的丁腈橡胶的极限耐高温是否满足设计需求。

4.3 丁腈聚氯乙烯混合

丁腈橡胶和PVC的结合增加了着色能力，提高了耐磨性和抗撕裂性，降低了气体渗透性。此时的丁腈橡胶和聚氯乙烯化合物获得了额外的抗臭氧和抗紫外线能力，PVC的加入也增加了柔韧性，但耐候性还是较差。故可将丁腈橡胶/聚氯乙烯看作丁腈橡胶的升级产品，在屋顶单元机中的应用范围比单丁腈橡胶更广，例如，因其具有更好的耐磨性，所以可在经常需要拆卸的密封门板间广泛应用。但不建议将丁腈橡胶/聚氯乙烯用于需要阻燃性的模块应用，例如燃气和电加热模块、电控箱等位置。

4.4 氯丁橡胶

氯丁橡胶是一种出色的多用途弹性体，属于类别C，其综合性能较为均衡，具有良好的抗冲击和抗撕裂性，对油脂具有适度的耐受性，还有良好的阻燃性。并且这种材料也具有良好的耐候性、非常好的耐磨性、抗挠曲开裂、耐碱性和耐酸性好。然而，氯丁橡胶对芳香族和含氧溶剂的耐受性较差，它在低温下的柔韧性有限，并且在压缩形变方面存在局限性，其在屋顶单元机中的应用不是很多，带有新风系统区域A和室外侧区域C，其性能容易受到低温影响。所以在屋顶单元机的应用中，室内侧区域B中会适量应用，但是考虑其耐高温性并不是特别突出，所以建议尽量远离燃气和电加热模块。

4.5 硅橡胶

硅橡胶属于类别D，其性能出类拔萃，集以上介绍各种橡胶的优点于一身并且很多参数大幅超越，还可根据特殊需求把透明度做得很高。考虑到其价格昂贵，在北美屋顶单元机中几乎没有应用，故此不作详细介绍。

4.6 类型应用偏好

由1.1节可知，柔性多孔橡胶类型有开孔和闭孔之分，在屋顶单元机的应用主要注意以下几点：1）吸水率考量。一般情况下，开孔柔性多孔橡胶吸水率大大高于闭孔柔性多孔橡胶，如果工作环境中经常会有水出现，将导致柔性多孔橡胶一直处于吸水饱和后的膨胀状态，长时间后会导致橡胶物理性能下降，影响密封。因此，对于在有雨水浸泡影响的机器外表面零件之间的密封，建议使用闭孔柔性多孔橡胶。另外，在屋顶单元机的区域C，由于蒸发器制冷产生大量冷凝水，因此在此区域通常使用闭孔柔性多孔橡胶。2）气体渗透率考量。开孔柔性多孔橡胶一般具有更好的气体渗透能力，所以在选型作为隔绝一氧化碳、一氧化氮等有害气体的密封功能时，通常使用闭孔柔性多孔橡胶，例如区域B的燃气模块。3）成本或其它因素考量。