兩種丁腈橡膠恒定壓縮永久變形試樣硫化時(shí)間研究

宋體杰，田 輝(沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司 理化測(cè)試中心，沈陽 110850)

橡膠材料及制品由于獨(dú)特的性能，已廣泛應(yīng)用于軍民品生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。丁腈橡膠(Acrylonitrile-butadiene Rubber，NBR)是由丁二烯和丙烯腈共聚制得的一類合成橡膠，通常采用乳液共聚法制得，其分子量約為7×104，外觀為淺黃色固體，相對(duì)密度0.910～0.986g/cm3。丙烯腈在分子鏈中呈無規(guī)分布，該橡膠為無定形、非晶態(tài)橡膠。丁腈橡膠由于分子結(jié)構(gòu)中含有腈基，因而具有優(yōu)異的耐油性，NBR的耐熱性優(yōu)于天然橡膠、丁苯橡膠和氯丁橡膠。NBR較其它橡膠具有更寬域的使用溫度，它能在120 ℃下長期使用。NBR具有良好的耐低溫性，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-55 ℃，具有耐化學(xué)穩(wěn)定性好，力學(xué)性能優(yōu)越，加工操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，己廣泛用于制作各種密封圈、襯套、襯墊、墊圈、橡皮碗、軟管以及其他制品，在汽車、石油、航天等工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，已成為世界上消耗量最大的特種合成橡膠[2-9]。壓縮永久變形表征是在完全去掉引起壓縮變形的外力后所剩余的變形。壓縮永久變形是橡膠密封制品的特性指標(biāo)，與橡膠密封制品的密封性能密切相關(guān)。橡膠密封制品是靠壓縮產(chǎn)生的回彈力來密封介質(zhì)的，對(duì)于特定的橡膠材料而言，回彈力的大小除了與初始的壓縮量有關(guān)外，更重要的還與壓縮永久變形密切相關(guān)，壓縮永久變形越大回彈力越小，壓縮永久變形越小回彈力越大。另外壓縮永久變形是隨時(shí)間逐漸增大的，增大的速率越慢，密封制品的使用壽命就會(huì)越長，反之密封制品的使用壽命就會(huì)越短。正因?yàn)槿绱耍瑝嚎s永久變形被認(rèn)為是橡膠密封制品最重要的特性指標(biāo)之一[9-10]。針對(duì)5860和5870兩種膠料，研究其恒定壓縮永久變形與硫化時(shí)間的關(guān)系，從而得出試驗(yàn)試樣適宜的硫化時(shí)間[11-15]，用以指導(dǎo)實(shí)際檢測(cè)工作，在工程應(yīng)用上具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣

實(shí)驗(yàn)選用航空常用丁腈橡膠5860和5870膠料進(jìn)行研究，根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) HG 6-407-79對(duì)試樣進(jìn)行硫化處理，兩種丁腈橡膠膠料的物理性能如表1和表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，兩種丁腈橡膠膠料的性能符合技術(shù)指標(biāo)要求。

表1 5860膠料性能

表2 5870膠料性能

用模具壓制成型恒定壓縮永久變形試樣，試樣為圓柱體，直徑為Φ10 mm，高為10 mm，表面平整并互相垂直、平行。每種丁腈橡膠各做5組試樣，測(cè)試數(shù)據(jù)取其平均值。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn) HG 6-407-79 的要求對(duì)恒定壓縮永久變形試樣進(jìn)行硫化，硫化溫度設(shè)定為151 ℃，5860膠料試樣的硫化時(shí)間分別為20 min、21 min、22 min、23 min和24 min；5870膠料試樣的硫化時(shí)間分別為15 min、16 min、17 min、18 min和19 min。

按GB 1683-81《硫化橡膠恒定形變壓縮永久變形的測(cè)定方法》測(cè)試試樣恒定壓縮永久變形，試樣壓縮率為20%，選取高度為8 mm的限制器，采用厚度計(jì)測(cè)量試樣壓縮前的高度，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、限制器不互相接觸。將夾具放入恒溫箱中，開始計(jì)算試驗(yàn)時(shí)間，到達(dá)規(guī)定時(shí)間后，從恒溫箱中取出夾具，在室溫下冷卻2小時(shí)，打開夾具，取出試樣，在自由狀態(tài)下停放1小時(shí)，測(cè)量試樣壓縮后的恢復(fù)高度。根據(jù)公式計(jì)算出恒定壓縮永久變形值。

根據(jù)GB/T 16584-1996《橡膠用無轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定硫化特性》對(duì)兩種丁腈橡膠進(jìn)行硫化程度測(cè)試，硫化儀(R100E型硫化儀，北京市友深電子儀器廠)硫化溫度設(shè)置為151℃，加入試樣測(cè)試其硫化曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 恒定壓縮永久變形

在151 ℃硫化溫度下，5860和5870膠料經(jīng)不同硫化時(shí)間進(jìn)行硫化后，所測(cè)得的恒定壓縮永久變形值如表3和表4所示。兩種丁腈橡膠膠料恒定壓縮永久變形隨硫化時(shí)間變化規(guī)律如圖1和圖2所示。

表3 5860膠料恒定壓縮永久變形試驗(yàn)結(jié)果

表4 5870膠料恒定壓縮永久變形試驗(yàn)結(jié)果

圖1 5860恒定壓縮永久變形-硫化曲線

圖2 5870恒定壓縮永久變形-硫化時(shí)間曲線

從圖1和圖2中可以看出，隨著硫化時(shí)間的延長，5860和5870膠料的恒定壓縮永久變形數(shù)值均出現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，即表明在恒定硫化溫度下，在一定硫化時(shí)間范圍內(nèi)，隨著硫化時(shí)間的延長，膠料的硫化度逐漸增加，從而導(dǎo)致膠料的壓縮永久變形性能越來越好。從表1和表2可以看出，5860膠料恒定壓縮永久變形試樣硫化時(shí)間區(qū)間在20～23 min時(shí)，其恒定壓縮永久變形數(shù)值變化不大；硫化時(shí)間為24 min時(shí)，其恒定壓縮永久變形數(shù)值降幅明顯增大，表明在151 ℃硫化溫度下，5860橡膠膠料在硫化時(shí)間為24 min時(shí)已經(jīng)處于正硫化狀態(tài)。5870膠料恒定壓縮永久變形試樣硫化時(shí)間區(qū)間在15～18 min時(shí)，其恒定壓縮永久變形數(shù)值降幅變化較大;硫化時(shí)間區(qū)間為18～19 min時(shí)，其恒定壓縮永久變形數(shù)值降低趨勢(shì)趨于平緩，進(jìn)而表明在151 ℃硫化溫度下，5870橡膠膠料在硫化時(shí)間為18～19 min時(shí)進(jìn)入正硫化狀態(tài)。

綜上所述，為了提高5860和5870丁腈橡膠膠料的恒定壓縮永久變形性能，同時(shí)考慮到生產(chǎn)實(shí)際，在151℃硫化工藝溫度下，5860膠料的最佳硫化時(shí)間可選擇24 min，5870膠料的最佳硫化時(shí)間可選擇19 min。

2.2 硫化曲線

為了進(jìn)一步研究硫化時(shí)間對(duì)丁腈橡膠膠料硫化程度的影響，采用硫化儀在151℃硫化溫度下對(duì)5860和5870兩種丁腈橡膠膠料的硫化程度進(jìn)行了測(cè)試，所獲得的硫化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 5860膠料的硫化曲線

對(duì)硫化曲線所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，定義t10即硫化儀轉(zhuǎn)距M達(dá)到Mmin+10%(Mmax-Mmin) 時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為膠料的膠燒時(shí)間；定義t90即硫化儀轉(zhuǎn)距M達(dá)到Mmin+90%(Mmax-Mmin) 時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為膠料的正硫化時(shí)間，根據(jù)上述定義，分別可獲得5860和5870丁腈橡膠在151 ℃硫化溫度下的膠燒時(shí)間、正硫化時(shí)間分別為3.8 min、22.2 min和3.5 min、21.2 min。由此可知，根據(jù)橡膠膠料的壓縮永久變形值的變化情況所確定的5860和5870膠料的硫化時(shí)間24 min和19 min均處于正硫化時(shí)間點(diǎn)前后。對(duì)于5860膠料，所確定的硫化時(shí)間處于膠料的正硫化平坦期內(nèi)，而對(duì)于5870膠料，所確定的硫化時(shí)間處于正硫化時(shí)間之前，此時(shí)膠料處于輕微欠硫狀態(tài)。由于橡膠正硫化時(shí)間表征的是橡膠綜合性能最佳的硫化時(shí)間，因此從壓縮永久變形值角度所確定的最佳硫化時(shí)間與硫化曲線所確定的正硫化時(shí)間有所不同。根據(jù)硫化曲線可以看出，橡膠硫化度的變化趨勢(shì)與壓縮永久變形值的數(shù)據(jù)一致，壓縮永久變形的數(shù)據(jù)反映出丁腈橡膠從欠硫到正硫化的硫化度逐漸增大的過程。

圖4 5870膠料的硫化曲線

3 結(jié)論

(1)在151 ℃的硫化溫度下，5860膠料和5870膠料恒定壓縮永久變形值均隨著硫化時(shí)間的延長而減小，實(shí)際生產(chǎn)中可選擇數(shù)值變化率最大的時(shí)間點(diǎn)作為其硫化時(shí)間；

(2)5860膠料在151 ℃的硫化溫度下適宜硫化時(shí)間為24 min，5870膠料在151 ℃的硫化溫度下適宜硫化時(shí)間為19 min；

(3)從硫化曲線分析結(jié)果可知，在151 ℃的硫化工藝溫度下，所確定的5860膠料硫化時(shí)間處于硫化平坦期，所確定的5870膠料硫化時(shí)間處于稍微欠硫狀態(tài)。

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