碳納米管在氟橡膠旋轉(zhuǎn)油封膠料中的應(yīng)用

馬明智，向 宇，張曉輝，肖風(fēng)亮

（1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510535；2.國(guó)家橡塑密封工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510535）

碳納米管（CNTs）作為一維納米材料，質(zhì)量小，六邊形網(wǎng)格連接完美，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能[1-4]。CNTs長(zhǎng)徑比非常大，因而沿長(zhǎng)度方向的熱交換性能很好，而沿垂直方向的熱交換性能較差。通過(guò)合適的取向，CNTs可以制備高各向異性的熱傳導(dǎo)材料[5-7]。由于CNTs熱導(dǎo)率較大，只要加入微量CNTs，橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將大幅提高[8-11]。

氟橡膠分子的主鏈或側(cè)鏈的氟原子賦予其優(yōu)異的耐熱、耐氧化、耐油和耐腐蝕性能。隨著成本降低，氟橡膠在航天、航空、汽車(chē)、石油和家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本工作研究CNTs對(duì)氟橡膠旋轉(zhuǎn)油封膠料及成品性能的影響，為CNTs在橡膠密封制品中的應(yīng)用提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

氟橡膠，牌號(hào)G752（含硫化體系），日本大金工業(yè)株式會(huì)社產(chǎn)品；炭黑N990，加拿大Cancarb公司產(chǎn)品；CNTs，牌號(hào)GTR，山東大展納米材料有限公司產(chǎn)品；氧化鎂，日本協(xié)和化學(xué)株式會(huì)社產(chǎn)品；氫氧化鈣，天津博迪化工股份有限公司產(chǎn)品；脫模劑HT-290，美國(guó)Struktol公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

氟橡膠G752（以凈氟橡膠用量計(jì)） 100，炭黑N990 30，CNTs 變量，氧化鎂 3，氫氧化鈣 6，棕櫚蠟 0.5，脫模劑HT290 0.5。

1.3 主要設(shè)備與儀器

XK-160型開(kāi)煉機(jī)，佰弘（上海）機(jī)械有限公司產(chǎn)品；50 t平板硫化機(jī)和旋轉(zhuǎn)油封試驗(yàn)臺(tái)架，磐石油壓工業(yè)（安徽）有限公司產(chǎn)品；Zwick型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)Zwick公司產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料在開(kāi)煉機(jī)上混煉，加料順序?yàn)椋荷z→炭黑→CNTs→小料→下片。混煉膠硫化條件為165℃/15 MPa×20 min。

混煉膠通過(guò)擠出機(jī)擠出半成品，半成品與處理好的金屬骨架復(fù)合后一次硫化成型。骨架處理流程為：車(chē)削（沖壓）→拋丸→超聲波清洗→干燥→涂覆膠粘劑→固化膠粘劑。

1.5 性能測(cè)試

（1）用RPA2000橡膠加工分析儀對(duì)膠料進(jìn)行應(yīng)變掃描。混煉膠應(yīng)變掃描溫度為100 ℃，頻率為1.7 Hz，應(yīng)變?yōu)?%～300%；硫化膠應(yīng)變掃描溫度為100 ℃，頻率為1和10 Hz，應(yīng)變?yōu)?%～50%。

（2）旋轉(zhuǎn)油封臺(tái)架試驗(yàn)按照GB/T 13871.4—2007《密封件為彈性體材料的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈 第4部分：性能試驗(yàn)程序》進(jìn)行。試驗(yàn)介質(zhì)為32#機(jī)械油，潤(rùn)滑狀態(tài)為1/2浸油，軸直徑為100 mm，表面粗糙度為Ra 0.2，以恒定轉(zhuǎn)速6 000 r·min-1正轉(zhuǎn)20 h后停機(jī)4 h為1個(gè)周期，運(yùn)行至出現(xiàn)明顯泄漏為止。

（3）其他性能按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

CNTs用量對(duì)膠料硫化特性的影響見(jiàn)表1。

從表1可以看出：隨著CNTs用量增大，膠料的FL和Fmax增大，說(shuō)明CNTs用量增大使膠料流動(dòng)性降低，對(duì)膠料加工性能有一定影響；ts2和t90略微延長(zhǎng)，說(shuō)明CNTs對(duì)膠料硫化效率略有降低作用。

表1 CNTs用量對(duì)膠料硫化特性的影響（165 °C）

2.2 物理性能

CNTs用量對(duì)硫化膠物理性能的影響見(jiàn)表2。

表2 CNTs用量對(duì)硫化膠物理性能的影響

從表2可以看出：隨著CNTs用量增大，硫化膠的硬度、100%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度增大，拉斷伸長(zhǎng)率降低；老化后拉伸性能總體提高，壓縮永久變形增大；耐油性能變化不大。CNTs對(duì)氟橡膠有著較好的補(bǔ)強(qiáng)作用，其纖維狀結(jié)構(gòu)使撕裂強(qiáng)度大幅提高，同時(shí)也會(huì)使拉斷伸長(zhǎng)率明顯降低。

2.3 應(yīng)變掃描

2.3.1 混煉膠

混煉膠的損耗因子（tanδ）-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，隨著CNTs用量增大，混煉膠的tanδ變化不明顯。由此可以推斷，雖然CNTs用量增大會(huì)導(dǎo)致膠料流動(dòng)性下降，但對(duì)混煉能耗并沒(méi)有明顯影響。

圖1 混煉膠的tan δ-應(yīng)變曲線

2.3.2 硫化膠

硫化膠的tanδ-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出：隨著CNTs用量增大，硫化膠的tanδ增大；在低頻率、小應(yīng)變下，硫化膠的tanδ差異較小，在高頻率、大應(yīng)變下，硫化膠的tanδ差異較大。由此可以推斷，CNTs用量增大會(huì)導(dǎo)致氟橡膠制品在使用過(guò)程中生熱增大，但是在低頻率、小應(yīng)變下生熱不大。膠料配方設(shè)計(jì)時(shí)可以在均衡其他性能的同時(shí)適當(dāng)調(diào)整CNTs用量。

圖2 硫化膠的tan δ-應(yīng)變曲線

2.4 旋轉(zhuǎn)油封成品性能

制作100 mm×125 mm×12 mm的旋轉(zhuǎn)油封，并測(cè)試其物理性能，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出：與F-0配方膠料相比，F(xiàn)-CNTs配方膠料用3份CNTs替代了20份炭黑，兩種配方油封的硬度基本相當(dāng)，兩種油封有可比性；F-CNTs配方油封的100%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度較大，拉斷伸長(zhǎng)率較小，這與表2結(jié)果吻合。

表3 旋轉(zhuǎn)油封膠料配方與物理性能

臺(tái)架試驗(yàn)表明：F-0配方油封從第98 h開(kāi)始出現(xiàn)滲漏，第123 h出現(xiàn)大量泄漏，判定密封失效；F-CNTs配方油封從第116 h開(kāi)始出現(xiàn)滲漏，第195h出現(xiàn)大量泄漏，判定密封失效。可見(jiàn)添加CNTs有利于延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)油封的使用壽命。

3 結(jié)論

通過(guò)研究CNTs對(duì)氟橡膠旋轉(zhuǎn)油封膠料及成品性能的影響得出以下結(jié)論。

（1）隨著CNTs用量增大，膠料的硫化速率略有減小，流動(dòng)性降低，混煉能耗變化不大。

（2）隨著CNTs用量增大，硫化膠的100%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度增大，拉斷伸長(zhǎng)率降低；老化后強(qiáng)伸性能提高，壓縮永久變形增大；耐油性能變化不大。

（3）隨著CNTs用量增大，膠料的生熱增大，但在低頻率、小應(yīng)變下生熱變化不大。

（4）添加3份CNTs的成品油封使用壽命延長(zhǎng)，性價(jià)比較高。