橡塑并用比對CM/EVA熱塑性硫化膠（TPV）性能的影響

武金和，張迪，黨丹萍，李榮勛（.山東安能輸送帶橡膠有限公司，山東 兗州 700；.青島科技大學，山東 青島 6604）

橡塑并用比對CM/EVA熱塑性硫化膠（TPV）性能的影響

武金和1，張迪2，黨丹萍2，李榮勛2
（1.山東安能輸送帶橡膠有限公司，山東 兗州 272100；2.青島科技大學，山東 青島 266042）

采用動態(tài)硫化法制備了氯化聚乙烯橡膠（CM）/乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）熱塑性硫化膠（TPV），研究了橡塑并用比例對共混物物理力學性能、流變性能、動態(tài)力學性能及斷面微觀結(jié)構(gòu)的影響。橡膠加工分析儀（RPA）的結(jié)果表明，在沒有填料加入的情況下，共混物呈現(xiàn)出明顯的Payne效應；當CM/EVA比例為60/40時TPV的拉伸強度及斷裂伸長率分別達到11.13 MPa和482.2%，粒子尺寸及分散程度最為均勻；通過脆性斷面刻蝕前后的微觀照片對比研究，發(fā)現(xiàn)在橡塑比例為60/40時共混膠發(fā)生了相反轉(zhuǎn)，含量多的交聯(lián)橡膠為分散相，尺寸在1 um左右。

氯化聚乙烯橡膠；乙烯-醋酸乙烯共聚物；動態(tài)硫化；熱塑性硫化膠

熱塑性彈性體（TPE）是一種兼具橡膠和塑料特性，在常溫下能顯示出橡膠彈性、在高溫下能塑化成型的高分子材料［1］。熱塑性硫化膠（TPV）是TPE的一種，制備方法是將橡膠和熱塑性樹脂熔融混合，在硫化體系存在的條件下將橡膠進行就地硫化，得到粒狀的硫化橡膠分散相且橡膠微區(qū)形態(tài)穩(wěn)定，在后續(xù)的成型加工過程中不會發(fā)生變化［2］，這種方法簡稱動態(tài)硫化。在發(fā)生動態(tài)硫化的過程中會發(fā)生相反轉(zhuǎn)，含量少的樹脂為連續(xù)相，而橡膠相則以顆粒狀分散于基體中，這賦予了熱塑性硫化膠（TPV）常溫下的高彈性以及高溫下的可塑性［3］。經(jīng)過動態(tài)硫化后的熱塑性彈性體具有一系列的良好特性，如良好的物理機械性能、耐候性、耐熱老化性及耐化學腐蝕性等，且工藝簡單，操作時間短等優(yōu)點。

目前對TPV的研究以三元乙丙橡膠（EPDM）和聚丙烯（PP）或天然橡膠（NR）、丁腈橡膠（NBR）與PP等為主，關(guān)于氯化聚乙烯橡膠（CM）與乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）動態(tài)硫化的研究較少。CM是高密度聚乙烯（HDPE）被氯原子無規(guī)取代的產(chǎn)物，具有非常好的耐油性、耐臭氧、耐老化、耐化學腐蝕及阻燃性能，EVA具有強度高、耐老化、耐候性的優(yōu)點，并且和CM的相容性較好，EVA和CM動態(tài)硫化后可以改善EVA壓縮永久變形大和硬度高的問題，并且CM可提高EVA的阻燃性能，因此對CM/EVA動態(tài)硫化彈性體的研究非常有必要。

本實驗采用新型的硫化體系三唑二巰基銨鹽體系（FSH）動態(tài)硫化法制備CM/EVA，以期得到一種綜合性能良好的TPV，適用于密封領(lǐng)域。通過采用HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀制備TPV，研究了橡塑并用比例對TPV物理機械性能、動態(tài)力學性能以及脆性斷面微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1　實驗部分

1.1原材料

CM，型號140B，氯含量為40%，濰坊亞星化學股份有限公司；乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA），型號28-25，醋酸乙烯質(zhì)量分數(shù)為28.0% ，法國阿托菲納公司；

三唑二巰基銨鹽體系（FSH），廣州洽展化工產(chǎn)品有限公司；三鹽基硫酸鉛，青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司；二鹽基硫酸鉛，青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司；超細Mg（OH）2，青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

雙輥開煉機，Φ160×320，上海輕工機械股份有限公司；平板硫化機，XLB-D400×400，浙江湖州東方機械有限公司；電子拉力機，GT-2000，高鐵科技股份有限公司；橡膠加工分析儀（RPA），RPA2000，美國ALPHA公司；HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀，HAAKE PolyLab OS，美國賽默飛世爾科技公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）JSM-6700F型，日本電子公司產(chǎn)品。

1.3試樣制備

1.3.1膠料配方

CM（質(zhì)量份） 100，三鹽基硫酸鉛 2，三鹽基硫酸鉛 2，超細Mg（OH）210，F(xiàn)SH 2，CM/EVA 為變量。

1.3.2加工工藝

首先將CM、各種配合劑以及硫化劑在90 ℃的雙輥開煉機上混合均勻、下片，制成母煉膠備用，然后利用HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀進行動態(tài)硫化。先加入EVA，混煉2 min后加入母煉膠，動態(tài)硫化初始溫度為150 ℃、混煉轉(zhuǎn)速60 r/min以及動態(tài)硫化時間為15 min，之后在雙輥開煉機上下片，最后在平板硫化機上模壓成型，165 ℃×6 min，冷壓3 min。

1.4性能測試

1.4.1物理力學性能測試

拉伸強度、100%定伸應力和斷裂伸長率按照GB/T528—2009進行測試，拉伸速度是500 mm/ min；撕裂強度按照GB/T529—2008測試，拉伸速率500 mm/min。

1.4.2動態(tài)力學性能測試

頻率掃描：將樣品先升溫至90 ℃，然后降溫至40 ℃，保持應變1.0%，在0.1～30.0 Hz的頻率范圍內(nèi)測試TPV的動態(tài)力學性能。

應變掃描：將樣品先升溫至90 ℃，然后降溫至40 ℃，保持頻率0.5 Hz，在0.28%～100%的應變范圍內(nèi)測試TPV的動態(tài)力學性能。

1.4.3脆性斷面微觀結(jié)構(gòu)

未刻蝕試樣微觀結(jié)構(gòu)：首先將試樣在液氮中浸泡、脆斷，在脆斷面進行真空噴金處理后，在JSM-6380型掃描電子顯微鏡下觀察斷面微觀形貌。

刻蝕試樣微觀結(jié)構(gòu)：首先將試樣在液氮中浸泡、脆斷，然后將脆斷面浸泡在80 ℃的二甲苯溶液中，保持恒溫30 min，隨后干燥［4］。將浸泡后的斷面進行真空噴金處理后，在JSM-6380型掃描電子顯微鏡下觀察斷面微觀形貌。

2　結(jié)果與討論

2.1橡塑并用比例對TPV物理機械性能的影響

由圖1中可以看到，共混物中隨著EVA含量的增加，TPV的拉伸強度及斷裂伸長率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當橡塑比CM/EVA為60/40時，TPV的拉伸強度達到最大值11.13 MPa，斷裂伸長率也達到最大值482.2%，當EVA含量繼續(xù)增加時共混物的性能呈現(xiàn)下降趨勢。原因是當塑料相含量繼續(xù)增加時，橡膠相含量降低，作為物理交聯(lián)點的橡膠微粒減少，當TPV受到外力作用時，物理交聯(lián)點增韌效果降低，使材料由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔眩瑥姸冉档?。由?可以看出，共混物的撕裂強度及硬度均隨著EVA含量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，原因是TPV中塑料相為連續(xù)相，共混物的撕裂強度及硬度主要靠塑料相提供，隨著EVA含量的增加，塑料連續(xù)相結(jié)構(gòu)強化，TPV也更多的表現(xiàn)出塑料的高強度和高硬度，另外EVA屬于半結(jié)晶高分子材料，當含量較高時，可在TPV中形成較為完善的晶體骨架結(jié)構(gòu)，使TPV具有較高的撕裂強度。

2.2橡塑并用比例對TPV流變性能的影響

圖1　CM與EVA的比例變化對拉伸強度及斷裂伸長率的影響

流變性能反映的是物料加工過程的難易程度。扭矩的產(chǎn)生是由于高彈態(tài)及黏流態(tài)樹脂在剪切力作用下，阻礙轉(zhuǎn)動形變而產(chǎn)生的力矩，它的大小反應了體系形變的難易程度。平衡扭矩間接反應出熔融物料表觀粘度的大小，即物料的流動性能［5］。

表1　CM與EVA的比例變化對其他機械性能的影響

由圖2及表2中可以看出，隨著塑料相EVA含量的增多，橡膠相對含量減少，共混過程中的最高扭矩及平衡扭矩逐漸降低。隨著橡膠含量的降低，交聯(lián)橡膠的量減少，在動態(tài)硫化過程中剪切交聯(lián)橡膠需要的能量降低，并且在動態(tài)硫化過程中溫度高于塑料相EVA的熔點（42 ℃），在此過程中EVA具有非常好的流動性，因此最高轉(zhuǎn)矩和平衡轉(zhuǎn)矩的降低主要是受橡膠交聯(lián)的影響。

2.3橡塑并用比例對TPV動態(tài)力學性能的影響

圖2　不同的橡塑并用比例下CM/EVA的扭矩曲線

表2　CM與EVA的并用比例對TPV流變性能的影響

儲能模量表征材料抵抗形變能力的大小，儲能模量越大，越不容易變形，表示材料的有效剛度越大。損耗因子是每周期內(nèi)耗散能量與儲存能量之比，損耗因子的大小代表了動態(tài)變形下能量損耗的大小，損耗因子越大說明材料的黏性越大，損耗因子越小說明材料的彈性越大。

由圖3中可以看出，隨著掃描頻率的增加，共混膠的儲能模量以及損耗因子呈現(xiàn)上升趨勢，由時溫等效原理得知在低頻區(qū)相當于高彈態(tài)，鏈段運動能力強，與外場變化同步，內(nèi)摩擦較低，所以損耗因子較低；隨著頻率的增加，部分鏈段開始運動，但運動自由度還不大，在交變外場作用下，一些鏈段隨外場變化而運動，另一些鏈段跟不上外場變化運動而滯后，鏈段之間發(fā)生內(nèi)摩擦而生熱，因此損耗因子增加。而在相同頻率下隨著EVA含量的增加，共混膠的儲能模量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而損耗因子則一直降低，當橡塑比達到60/40時，共混膠的儲能模量達到最大值。

圖3　TPV掃描頻率的動態(tài)力學性能

由圖4可以看出，隨著應變的增加，共混物的儲能模量呈現(xiàn)下降趨勢，而損耗因子則逐漸增加，當應變?yōu)?0%左右時共混物的儲能模量急劇下降，呈現(xiàn)明顯的Payne效應，原因是在CM/EVA熱塑性硫化膠中，CM橡膠作為粒子分散于塑料相中，相當于填料，隨著CM含量的增加，聚合物中主要是以填料-填料相互作用為主的剛性接點，雖然顯示出高模量，但是對于應變掃描反應敏感，容易在交變應力作用下發(fā)生急劇破壞，填料網(wǎng)絡也隨之破壞［7］。在相同的應變條件下，共混物的儲能模量隨著EVA含量的增加而增加，損耗因子則隨著EVA含量的增加而降低。原因是隨著EVA含量的增加，在相同的加工條件下橡膠相逐漸被剪切成細小微粒分散于塑料相中，橡膠相粒子分布更為均勻，可以作為物理交聯(lián)點分散于連續(xù)相中，在受到外力作用時，物理交聯(lián)點對外界的響應靈敏，應變對應力滯后效應減弱，則損耗因子降低。

2.4橡塑并用比例對TPV微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.4.1刻蝕前不同橡塑并用比例的TPV微觀結(jié)構(gòu)

圖4　TPV應變掃描的力學性能

動態(tài)硫化法制得的TPV具有獨特的相形態(tài)，它使共混體系中的橡膠組分完全硫化成橡膠顆粒，并且均勻的分散于樹脂基體中，即使橡膠含量大于50份，橡膠組分仍成分散相。據(jù)研究表明彈性體相微粒粒徑只有控制在1 um左右時，才具有傳統(tǒng)橡膠應力-應變特征［8］。

圖5為不同橡塑比的TPV脆性斷面形貌，由圖中可以看出試樣的脆性斷面無明顯的塑性變形，斷面起伏較小，表面塊狀物邊緣光滑，呈現(xiàn)出典型的彈性體斷面特征。圖a可以看出僅有少量的粒子分散于連續(xù)相中；圖b中微粒數(shù)增多，但是大小分布不均勻，尺寸相差較大；圖c中觀察不到明顯的兩相界面，這是由于兩相間襯度較小的原因所致，但粒子尺寸趨于均勻化；圖d中可以明顯的觀察到微粒較為均勻的分散于連續(xù)相中，粒子尺寸大小均等，分布均勻；圖e中分散相呈現(xiàn)塊狀團聚現(xiàn)象，兩相界面明顯，由脆性斷面微觀結(jié)構(gòu)來看，當CM/EVA為60/40時，橡膠粒子尺寸及分散程度最為均勻。

2.4.2刻蝕前后TPV微觀結(jié)構(gòu)對比

圖5 不同橡塑比的TPV脆性斷面形貌

圖6為二甲苯刻蝕前后的CM/EVA=60/40時TPV脆性斷面的微觀掃描照片，由圖f可以看出經(jīng)過二甲苯刻蝕的CM/EVA表面層的EVA被二甲苯腐蝕掉了，表面較為規(guī)則的圓狀凸起的細小微粒得以顯露，并且可以看出被刻蝕的物質(zhì)是連續(xù)相，由此可以得出結(jié)論被刻蝕掉的物質(zhì)EVA是作為TPV連續(xù)相存在的物質(zhì)。對比刻蝕前后的照片可以看出交聯(lián)橡膠分散相微粒數(shù)目較多，尺寸在1 um左右，并且分散較為均勻，這就說明此種橡塑比例條件下制得的共混膠為TPV［9］。由此微觀結(jié)構(gòu)可以解釋CM/EVA為60/40時，TPV材料的物理機械性能達到最佳。

圖6　刻蝕前后的TPV脆性斷裂形貌

3　結(jié)論

（1）隨著EVA含量的增加，TPV的拉伸強度及斷裂伸長率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而共混物的撕裂強度及硬度則呈現(xiàn)上升趨勢。

（2）隨著塑料相EVA含量的增多，共混過程中的最高扭矩及平衡扭矩值逐漸降低。

（3）在RPA頻率掃描過程中，隨著掃描頻率的增加，共混膠的儲能模量以及損耗因子呈現(xiàn)上升趨勢，并且隨著EVA含量的增加，共混膠的儲能模量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而損耗因子則一直降低。

（4）在RPA應變掃描過程中，隨著應變的增加，共混物的儲能模量呈現(xiàn)下降趨勢，當應變?yōu)?0%左右時共混物的儲能模量急劇下降，呈現(xiàn)明顯的Payne效應。

（5）由脆性斷面微觀結(jié)構(gòu)來看，CM和EVA共混物中CM橡膠粒子為分散相，塑料EVA是連續(xù)相，當CM/EVA為60/40時，橡膠粒子尺寸及分散程度最為均勻。通過刻蝕前后的照片對比可以看出交聯(lián)橡膠微粒尺寸在1 um左右，并且分散較為均勻。

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Rubber/Plastic ratio on the performance of CM / EVA TPV

TQ330.9

1009-797X（2015）17-0055-05

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.17.015

武金和（1972-），男，山東省安能輸送帶有限公司工程師，工作期間獲得過發(fā)明專利2項、使用新型專利9項；獲得濟寧市科技成果獎二等獎3個；兗州市科技成果獎一等獎2個，并獲得濟寧市優(yōu)秀技術(shù)創(chuàng)新三等獎一個。

2015-03-24