耐高溫丁腈橡膠的材料研究

郭 潛，周曉慧，王顯妮

（陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院，陜西西安710054）

普通丁腈橡膠在熱空氣介質(zhì)中（100℃以下）可較長期使用，然而隨著現(xiàn)實(shí)使用工況環(huán)境不斷變化，對(duì)于橡膠耐熱性的要求逐步提升，現(xiàn)階段丁腈橡膠（NBR）多要求在120℃～150℃能長期工作[1]。橡膠的耐熱性與其分子結(jié)構(gòu)和膠料組分、溫度、機(jī)械作用和周圍環(huán)境介質(zhì)有密切關(guān)系。通常橡膠化學(xué)穩(wěn)定性也是影響耐熱性能的一關(guān)鍵重要因素。目前丁腈橡膠只能間歇獲短時(shí)間內(nèi)在120℃以上使用，提升丁腈橡膠的耐熱性的研究，從而延長橡膠制品使用壽命，擴(kuò)大工作溫度范圍，擴(kuò)充材料使用領(lǐng)域以及多工況就凸顯著相當(dāng)重要的意義。本文將從配方設(shè)計(jì)、工藝改良等多角度，通過多元設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以此來提升NBR橡膠的耐熱性能，提高橡膠材料的綜合性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

原材料：丁腈橡膠（牌號(hào)：1051）；氧化鋅、過氧化二異丙苯、白炭黑、間亞苯基雙馬來酰亞胺（橡膠助劑HⅤA-2）、防老劑NBC、防老劑DDA、氧化鎂等均為工業(yè)品，市售。

生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：橡膠開煉機(jī)KL-6，磐石油壓工業(yè)有限公司；橡膠硫化成型機(jī)P-100-PCD，磐石油壓工業(yè)有限公司；GT-TCS2000電子拉力機(jī)，臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司；GT-7017-NM老化箱，臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司。

1.2 試樣制備

將基本配方乘以倍數(shù)擴(kuò)大，按下列工藝先煉成母膠：(1)在開煉機(jī)上使橡膠包輥，留有少量堆積膠；(2)逐步加入硬脂酸和1/2的炭黑及油；(3)再加剩余的1/2炭黑和硫化劑，使其混合均勻至沒有殘留粉料；(4)左右開刀各四次后下片；(5)將輥距調(diào)至最小，薄通5次(其中三次打三角包)；(6)出片厚度3 mm，下水冷卻。然后再分為若干份，加入不同助劑和填料翻煉均勻，在平板硫化機(jī)上制備試樣，硫化條件為：170℃×12min。

1.3 性能測(cè)試

硫化橡膠拉伸性能的測(cè)定按GB/T 528-92進(jìn)行；硫化橡膠邵爾A硬度測(cè)定GB/T 531-92進(jìn)行；橡膠熱空氣老化測(cè)定按GB/T 3512-89進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 防老劑的影響

丁腈橡膠自身具有較好的耐熱性，常規(guī)配方最高使用溫度可達(dá)到110℃，通過加入多類防老劑，在一定程度上提高它的耐熱性能。幾種防老劑對(duì)丁腈橡膠材料的耐熱性的影響見表1。

表1 防老劑種類對(duì)對(duì)NBR耐熱性的影響Table 1 The effect of antioxidants on NBR heat resistance

由表1可以看出，未加防老劑的硫化膠在125℃×48h的條件下，丁腈橡膠試樣的性能變化較大，該跡象表明材料已經(jīng)完全老化，對(duì)照添加各類防老劑后的硫化膠耐熱性均有一定限度提升。這是防老劑在高溫環(huán)境下抑制了大分子聚合物的氧化降解速率，部分隔絕大分子與熱氧等易老化要素環(huán)境的影響[2]，以此提高NBR的耐熱性，表中高性能防老劑NBC、DDA的防護(hù)效果最明顯。

2.2 填料的影響

一般常規(guī)淺色填料的耐熱老化性能優(yōu)于補(bǔ)強(qiáng)填充劑炭黑，本文通過選用氧化鎂、白炭黑并用改善丁腈橡膠料的耐熱性能。實(shí)用橡膠配方過程中，普遍把氧化鎂做為吸酸劑或硫化劑使用，用量一般為5份左右，但用量超過10份，可產(chǎn)生絕熱作用以此可改善膠料的耐熱性，同時(shí)能夠增加橡膠膠料的回彈性。本文實(shí)驗(yàn)中將主要考慮氧化鎂作為填料使用，以改善NBR膠料的耐熱性，多變量氧化鎂對(duì)丁腈橡膠材料的性能的影響具體實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 MgO用量對(duì)NBR耐熱性的影響Table 2 The effect of MgO dosage on NBR heat resistance

由表2可知，氧化鎂的并用加入，膠料的耐熱性得到了較大的改善，隨著氧化鎂用量的增加，丁腈橡膠耐熱氧老化性能呈逐步上升趨勢(shì)，這可能是因?yàn)檠趸V在橡膠膠料中分散后，氧化鎂的絕熱效應(yīng)造成硫化膠料中熱傳遞速率變慢[3]，從而減緩了膠料的熱氧老化速度，以此提高了膠料的熱氧老化性能。同時(shí)在表2中可以看出，硫化膠的物理機(jī)械性能隨著氧化鎂量的增加有所下降，這可能是由于氧化鎂在丁腈橡膠中分散性較差，且隨著實(shí)際用量的增加，在膠料的分散度降低，相互作用減小明顯，相容性變差[4]，導(dǎo)致物理機(jī)械性能逐漸下降。

2.3 助劑的影響

2.3.1 增塑劑的影響

增塑劑對(duì)耐熱性能影響很大，耐熱配方中應(yīng)盡量不用增塑劑或者少量使用具有熱穩(wěn)定性和不揮發(fā)的增塑劑品種，特別是在硫化時(shí)能起聚合作用的增塑劑更好，用量一般最好控制在10份以內(nèi)；較低相對(duì)分子量的增塑劑在高溫下易遷移滲出或揮發(fā)，導(dǎo)致硫化膠硬度增加，伸長率下降，使硫化膠逐漸硬化，不宜使用。本實(shí)驗(yàn)中選用高粘度的TOTM作為增塑劑，以改善NBR膠料的加工性，用量為5份。

2.3.2 助劑EⅤM的影響

EⅤM可耐高溫175℃,采用改變聚合物的成分和結(jié)構(gòu)來改善NBR耐熱性應(yīng)是一種可行的辦法，所以本文考慮在NBR中加入EⅤM，以期對(duì)NBR耐熱性有所改善。EⅤM對(duì)NBR的耐熱性影響見表3。

表3 EVM用量對(duì)NBR耐熱性的影響Table 3 The effect of EVM dosage on NBR heat resistance

由表3可知，EⅤM加入后，膠料的扯斷強(qiáng)度、扯斷伸長率減小，這可能是由于基于EⅤM、NBR的飽和度不同，致使共硫化性差異較大造成的。但熱空氣老化后性能均有一定程度的提升，尤其是老化后扯斷強(qiáng)度有較大提升，這可能是因?yàn)槌Ｒ?guī)硫化時(shí)，丁腈橡膠NBR與硫化劑交聯(lián)速率快，交聯(lián)程度高，而EⅤM交聯(lián)程度較低，在熱空氣老化過程中，EⅤM二次硫化交聯(lián)所致的。所以EⅤM的適量并用，一定程度上提高丁腈橡膠膠料的熱空氣老化性能，當(dāng)其用量為15份時(shí)，橡膠材料的綜合性能最好。

3 結(jié)論

（1）選擇合適的防老劑在一定程度上提高NBR的熱空氣老化性能，本文中尤以防老劑NBC、DDA效果最佳。在125℃×48h條件老化后，仍可保持一定的彈性。

（2）白炭黑并用氧化鎂作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)填充劑，可大幅提高NBR的耐熱性，配以氧化鎂用量25份，防老劑NBC 3份、DDA 2份，在125℃×48h條件下老化后，扯斷伸長率保持50%以上。

（3）在NBR中加入15份EⅤM，配合氧化鎂25份，防老劑NBC 3份、DDA 2份。在125℃×48h條件下老化后，扯斷伸長率保持60%以上，且具有較好的綜合性能。