液壓傳動(dòng)介質(zhì)對(duì)丁腈橡膠密封材料性能的影響研究

薛永升

摘 ?要：主要研究對(duì)比乳化油和濃縮液兩種介質(zhì)對(duì)煤礦常用丁腈橡膠密封材料的性能影響。通過(guò)參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法，將丁腈橡膠試樣在40℃的溫度下分別浸泡到5%的濃縮液稀釋液與乳化液兩種傳動(dòng)介質(zhì)中1天、3天、7天，并測(cè)定浸泡后橡膠試樣的質(zhì)量、尺寸、硬度、拉伸性能、撕裂性能、抽出物的變化情況。結(jié)果表明：就選用的兩種傳動(dòng)介質(zhì)對(duì)橡膠試樣的性能影響對(duì)比，濃縮液對(duì)丁腈橡膠性能變化的影響比乳化油的影響更小，說(shuō)明濃縮液與丁腈橡膠的相容性更好。

關(guān)鍵詞：密封材料;丁腈橡膠;濃縮液;乳化油

中圖分類號(hào)：TQ336.42 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2016）26-0172-03

1 ?概 ?述

液壓支架是保證整個(gè)工作面安全生產(chǎn)的重中之重，其主要作用是支護(hù)采場(chǎng)頂板，維護(hù)安全作業(yè)空間，推移工作面采運(yùn)設(shè)備。液壓支架的升、降、推、移等基本動(dòng)作都是由乳化泵站供給的高壓液體即傳動(dòng)介質(zhì)，通過(guò)各種閥控制立柱、千斤頂?shù)纳炜s來(lái)實(shí)現(xiàn)。

液壓支架傳動(dòng)介質(zhì)是液壓系統(tǒng)中的重要組成部分，是整個(gè)綜采工作面液壓支架系統(tǒng)的“血液”，它保證了整個(gè)采煤工作面的安全順暢采煤和工人的生命安全。液壓支架傳動(dòng)介質(zhì)分為乳化油、微乳液、濃縮液等。

目前，我國(guó)綜采液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)常使用的是配比濃度為5%的濃縮液稀釋液或乳化液。

密封材料是液壓支架中關(guān)鍵零部件之一，實(shí)際工況下與傳動(dòng)介質(zhì)接觸頻繁。如果傳動(dòng)介質(zhì)與密封材料的相容性不佳，一定程度上會(huì)造成密封材料的物理和化學(xué)性能發(fā)生變化。這些變化在很大程度上影響密封材料在液壓系統(tǒng)中的使用性能。井下液壓系統(tǒng)的壓力一般在30 MPa左右，一旦密封材料損壞，造成支架出現(xiàn)跑冒滴漏等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成液壓支架泄壓，從而帶來(lái)安全隱患。

因此研究分析液壓支架傳動(dòng)介質(zhì)對(duì)密封材料的性能影響具有很重要的意義。煤礦液壓支架中采用的密封材料多由丁腈橡膠制備而成，因此本研究中采用丁腈橡膠作為基體材料，研究濃縮液和乳化油對(duì)其性能變化的影響。

2 ?實(shí)驗(yàn)方案

2.1 ?液壓支架傳動(dòng)介質(zhì)的選取

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)選用某礦區(qū)使用量較大的國(guó)內(nèi)某品牌A濃縮液和國(guó)外某品牌B乳化油兩種傳動(dòng)介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)材料都是從某礦工作面現(xiàn)場(chǎng)提取的原液。兩種產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足MT76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》的要求。

2.2 ?試樣制備

2.2.1 ?基本配方

基本配方（質(zhì)量份）：丁腈橡膠生膠100.00，氧化鋅5.0，硬脂酸1.0，白炭黑10.0，防老劑（4010NA）1.5，防老劑（RD）1.0，炭黑（N330）50.0;葵二酸二丁酯7.0，促進(jìn)（DM）1.5，促進(jìn)劑（TMTD） ?1.5，硫黃2.0，DCP2.0。

2.2.2 ?混煉工藝

丁腈橡膠試樣制備時(shí)其開(kāi)煉機(jī)的輥筒表面溫度應(yīng)保持（50±5 ℃），混煉按照下列程序進(jìn)行：

①將輥距調(diào)至1.5 mm使丁腈橡膠生膠包輥，打開(kāi)冷卻水使水溫保持在10 ℃，輥溫控制在50 ℃左右，塑煉2 min。

②生膠包輥后，表面不開(kāi)裂可以加入氧化鋅、硬脂酸，一邊切割兩刀打三個(gè)三角包，薄通兩遍并割膠翻煉，混煉3 min。

③加入防老劑，混煉3 min。

④將輥距調(diào)至2.0 mm加入1/2炭黑N330，混煉4 min。

⑤剩下的炭黑N330和增塑劑交替加入，左右交替割膠翻煉3次，混煉5 min。

⑥加入硫磺、DCP和促進(jìn)劑繼續(xù)割膠翻煉，待混煉均勻后薄通3遍，調(diào)整輥距至2.5 mm出片，4 min?；鞜捘z停放24 h后待用。

⑦將停放后的混煉膠在1.5 mm輥距下塑煉2 min，調(diào)整輥距至2.5 mm出片，并裁剪成長(zhǎng)方形剪片放入模具中硫化，在170 ℃下硫化20 min，制成2 mm±0.2 mm厚的標(biāo)準(zhǔn)硫化膠試片。

2.3 ?實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

P3555B2型盤式硫化儀（北京環(huán)峰機(jī)械制造廠生產(chǎn)）;

Φ160×320雙輥開(kāi)煉機(jī)（上海橡膠機(jī)械一廠生產(chǎn)）;

XQLB-350×350平板硫化機(jī)（上海橡膠機(jī)械制造廠生產(chǎn)）;

CMT4104電子拉力機(jī)（深圳新三思公司生產(chǎn)）;

XY-1邵爾硬度計(jì)（上海橡膠機(jī)械制造廠生產(chǎn)）;

HD-10型厚度計(jì)（北京化工機(jī)修廠生產(chǎn)）。

2.4 ?傳動(dòng)介質(zhì)對(duì)密封材料性能影響的實(shí)驗(yàn)方法

按煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》配制成濃度為5%的液壓支架傳動(dòng)介質(zhì)稀釋液，并分別標(biāo)記為1#-A濃縮液稀釋液與2#-B乳化液，配液用水為蒸餾水。

丁腈橡膠試樣質(zhì)量、尺寸、硬度、拉伸性能、抽出物測(cè)定等性能的變化率實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)GB/T1690-2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐液體試驗(yàn)方法》。

丁腈橡膠試樣撕裂性能變化率的實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)GB/T529-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測(cè)定（褲形、直角形和新月形試樣）》。

丁腈橡膠試樣壓縮永久變形變化的實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)GB/T7759-1996《硫化橡膠、熱塑性橡膠常溫、高溫和低溫下壓縮永久變形測(cè)定》。

2.5 ?通用試驗(yàn)程序

將試樣浸入盛有試驗(yàn)液體的磨口瓶中，并將裝置放入已達(dá)到溫度為40 ℃的恒溫箱中。對(duì)于全浸試驗(yàn)，試樣應(yīng)距離容器內(nèi)壁不少于5 mm，距容器底部和液體表面不少于10 mm。每組測(cè)試需用3個(gè)試樣，分別間隔1天、3天、7天取樣。試樣分別標(biāo)記為1#-1D、1#-3D、1#-7D、2#-1D、2#-3D、2#-7D。

在浸泡試驗(yàn)結(jié)束后，從恒溫箱中取出試驗(yàn)裝置，用濾紙擦去試樣表面的黏性不揮發(fā)液體，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫度下調(diào)節(jié)

30 min，進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。

2.6 ?測(cè)量數(shù)據(jù)

2.6.1 ?試樣質(zhì)量的變化

質(zhì)量變化百分率為：

Δm100=（mi-m0）/m0×100%。

式中：m0為浸泡前試樣在空氣中的質(zhì)量，單位為克（g）;

mi為浸泡后試樣在空氣中的質(zhì)量，單位為克（g）。

2.6.2 ?試樣尺寸的變化

長(zhǎng)度變化百分率為：

Δl100=（li-l0）/l0×100%。

式中：l0為試樣的初始長(zhǎng)度，單位為（mm）;

li為試樣浸泡后的長(zhǎng)度，單位為（mm）。

寬度k和厚度h變化百分率計(jì)算公式與長(zhǎng)度相同。

2.6.3 ?拉伸性能的變化

拉伸性能變化百分率：

（ΔX100）ΔX100=（Xi-X0）/ X0×100%

式中：X0為試樣浸泡前的拉伸性能值;

Xi為試樣浸泡后的拉伸性能值。

拉伸性能包括試樣初始橫截面積計(jì)算拉伸強(qiáng)度TS、拉斷伸長(zhǎng)率E和100%定伸應(yīng)力T。

2.6.4 ? 測(cè)定抽出物的變化

將浸泡后的試樣在一個(gè)絕對(duì)大氣壓約20 kPa，溫度為40 ℃的試驗(yàn)箱中干燥至恒重，即每隔30 min將試樣稱重一次，直至連續(xù)兩次稱量之差小于1 mg為止。

抽出物質(zhì)的量以試樣經(jīng)浸泡并干燥后的質(zhì)量與試樣初始質(zhì)量之差占試樣初始質(zhì)量的百分率表示。

2.6.5 ?撕裂性能

撕裂強(qiáng)度變化百分率：

（ΔT）ΔT=（Ti- T0）/ T0×100%

式中：

T0為試樣浸泡前的撕裂強(qiáng)度;

Ti為試樣浸泡后的撕裂強(qiáng)度，單位為千牛每米（kN/m）。

2.6.6 ?壓縮永久變形

壓縮永久變形：

C（%）=[（h0-h1）/（ho-hs）]×100%。

式中：

C為壓縮變形;

h0為試驗(yàn)前試樣厚度，mm;

hs為限制器的高度，mm;

h1為試樣恢復(fù)后的厚度，mm。

3 ?結(jié)果分析

3.1 ?質(zhì)量變化

浸泡前后試樣質(zhì)量的變化不僅反映出傳動(dòng)介質(zhì)對(duì)丁腈橡膠的溶脹性能，同時(shí)說(shuō)明丁腈橡膠在不同傳動(dòng)介質(zhì)中的老化速率。丁腈橡膠在1#-A濃縮液稀釋液與2#-B乳化液中分別浸泡不同天數(shù)后的質(zhì)量率變化，如圖1所示。

由圖中可以看出，在同一浸泡天數(shù)對(duì)比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A濃縮液稀釋液試樣的質(zhì)量變化率都大，說(shuō)明2#-B乳化液浸入橡膠較多，不利于丁腈橡膠密封件在乳化液環(huán)境下的質(zhì)量穩(wěn)定。

3.2 ?尺寸變化

浸泡后試樣尺寸的變化不僅反映出傳動(dòng)介質(zhì)與橡膠的互溶性能，同時(shí)說(shuō)明了橡膠制品的抗老化性能。浸泡前后試樣尺寸變化，見(jiàn)表1。

在同一浸泡天數(shù)對(duì)比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A濃縮液稀釋液試樣的長(zhǎng)度、寬度、厚度變化率都大，說(shuō)明2#-B乳化液影響橡膠較多，不利于丁腈橡膠密封件在乳化液環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定。

3.3 ?拉伸性能變化

浸泡前后試樣拉伸性能變化，見(jiàn)表3。

在同一浸泡天數(shù)對(duì)比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A濃縮液稀釋液試樣的拉伸強(qiáng)度（TS）、100%定伸應(yīng)力（T）、拉斷伸長(zhǎng)率（E）變化率都大，說(shuō)明2#-B乳化液的浸入對(duì)丁腈橡膠彈性網(wǎng)絡(luò)的影響更大，不利于丁腈橡膠密封件在乳化液環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

3.4 ?撕裂性能變化

在橡膠工業(yè)在與試樣主軸平行的方向上，撕裂試片所需的最大力除以試片的厚度，單位為kN/m。它是橡膠所具備的一項(xiàng)重要物理性能指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)選用直角撕裂強(qiáng)度進(jìn)行浸泡前后對(duì)比試驗(yàn)。

浸泡前后試樣撕裂性能變化，見(jiàn)表4。

在同一浸泡天數(shù)對(duì)比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A濃縮液稀釋液的試樣撕裂強(qiáng)度變化率大，說(shuō)明2#-B乳化液的浸入對(duì)丁腈橡膠抗撕裂性能的影響更大，不利于丁腈橡膠密封件在乳化液環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

3.5 ?抽出物的變化

試樣中抽出物的多少?zèng)Q定了浸泡式樣所浸入的液體數(shù)量，會(huì)嚴(yán)重影響丁腈橡膠密封件在現(xiàn)場(chǎng)的使用。浸泡前后試樣抽出物比例，如圖2所示。在同一浸泡天數(shù)對(duì)比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A濃縮液稀釋液試樣的抽出物比例大，說(shuō)明2#-B乳化液不利于丁腈橡膠密封件在乳化液環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

3.6 ?壓縮永久變形

壓縮永久變形是橡膠制品的重要指標(biāo)之一，硫化橡膠壓縮永久變形的大小，涉及到硫化橡膠的彈性與恢復(fù)。

首先測(cè)定試樣的原始高度，選擇8 mm的限制器，然后把試樣和限制器放于夾具中，均勻地壓縮到規(guī)定的高度。壓縮時(shí)，試樣、限制器不能互相接觸。將夾具放入烘箱中，升至100 ℃時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。24 h后，從烘箱中取出夾具，在室溫下冷卻2 h，然后打開(kāi)夾具，取出試樣，在自由狀態(tài)下停放1 h，測(cè)量試樣壓縮后的恢復(fù)高度。

浸泡前后試樣壓縮永久變形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

在浸泡1#-A濃縮液稀釋液的3組試樣中，隨著浸泡天數(shù)的增加，壓縮永久變形與未浸泡試樣相比變化不大，即使浸泡7天，壓縮永久變形僅為6.1%（未浸泡的為5.5%），說(shuō)明1#-A濃縮液稀釋液對(duì)丁腈橡膠性能影響較小，不會(huì)破壞橡膠網(wǎng)絡(luò)的彈性恢復(fù)。

在浸泡2#-B乳化液的3組試樣中，隨著浸泡天數(shù)的增加，壓縮永久變形與未浸泡試樣相比變化較大，為別為11.0%、19.5%、21.7%（未浸泡的為5.5%），說(shuō)明2#-B乳化液對(duì)丁腈橡膠的彈性恢復(fù)影響較大，2#-B乳化液滲入到橡膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致其彈性恢復(fù)能力明顯降低。

4 ? 結(jié) ?語(yǔ)

將同樣配方的丁腈橡膠分別浸泡在質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%的A濃縮液稀釋液與B乳化液相同的時(shí)間，經(jīng)過(guò)B乳化液浸泡的丁腈橡膠質(zhì)量、尺寸、硬度、拉伸性能、撕裂性能、抽出物比例、壓縮永久變形與在A濃縮液稀釋液浸泡的丁腈橡膠相比變化率更大，結(jié)果表明就濃縮液與乳化油兩種傳動(dòng)介質(zhì)，丁腈橡膠密封件更適合在濃縮液稀釋液中長(zhǎng)期使用。

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