水油環(huán)境用丁腈橡膠/氯丁橡膠共混膠性能研究

李 利，宋 偉*，田 倩，米廣杰

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000）

隨著社會(huì)以及現(xiàn)代化生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，對(duì)橡膠制品性能的要求越來(lái)越高，橡膠制品的工作環(huán)境越來(lái)越苛刻，耐水、油腐蝕橡膠制品的需求量不斷增大。工作環(huán)境的特殊性限制了大部分橡膠制品的應(yīng)用。丁腈橡膠（NBR）具有良好的耐油性能、耐磨性能、耐老化性能、耐熱氧老化性能、耐化學(xué)腐蝕性能和氣密性，但存在耐臭氧腐蝕性能和絕緣性能差的缺點(diǎn)，而氯丁橡膠（CR）除了具有良好的耐油、耐熱、不易燃燒和耐化學(xué)腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的耐臭氧和絕緣性能[1-9]。國(guó)內(nèi)外對(duì)二者共混的研究得到了很多有價(jià)值的結(jié)論，NBR和CR都是極性橡膠，兩者共混可獲得較好的耐老化性能與耐水、油性能的平衡[10-18]。

本工作主要對(duì)在水油環(huán)境下使用的NBR/CR并用膠性能的影響因素進(jìn)行研究，在保證并用膠具有適當(dāng)?shù)挠捕取㈤T尼粘度，良好的拉伸強(qiáng)度、體積電阻率和磨耗性能外，優(yōu)化并用膠的耐水、油和化學(xué)腐蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NBR，牌號(hào)4155，上海巖中實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；CR，牌號(hào)321，重慶長(zhǎng)壽捷圓化工有限公司產(chǎn)品；白炭黑，德國(guó)德固賽公司產(chǎn)品；炭黑N115，天津億博瑞化工有限公司產(chǎn)品；炭黑N330，百利聯(lián)顏料制品有限公司產(chǎn)品；炭黑N550，卡博特化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

CR基礎(chǔ)配方：CR 100，氧化鋅 5，氧化鎂 4。

NBR基礎(chǔ)配方：NBR 100，氧化鋅 5，氧化鎂 4。

并用膠配方：NBR/CR 90/10，炭黑N330 50，白炭黑 20，氧化鎂 6，氧化鋅 10，芳烴油V700 16，活性劑SAD 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，促進(jìn)劑DM 0.6，硫黃 6。

在并用膠配方優(yōu)化過(guò)程中，將硫化體系中的氧化鋅、氧化鎂、硫黃和促進(jìn)劑DM用量作為變量，補(bǔ)強(qiáng)體系中的炭黑牌號(hào)及用量作為變量。

1.3 主要設(shè)備和儀器

BL-6157型兩輥開煉機(jī)，寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；XSM-500型密煉機(jī)，上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；QLB-400×400×2型平板硫化機(jī)，上海第一橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；M-2000-AN型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、GT-7017-N（M/L）型老化箱，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；TS2005b型電子拉力試驗(yàn)機(jī)、UM-2050型門尼粘度計(jì)，中國(guó)臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉工藝

密煉機(jī)混煉溫度為60 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，混煉時(shí)間為7 min。

1.4.2 硫化

混煉膠采用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)試硫化特性，用平板硫化機(jī)硫化，硫化時(shí)間為1.3t90。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)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 基礎(chǔ)配方性能對(duì)比

表1所示為基礎(chǔ)配方膠料的物理性能。

由表1可知：基礎(chǔ)配方膠料在經(jīng)典硫化體系下性能滿足下一步試驗(yàn)要求。

表1 基礎(chǔ)配方膠料物理性能

2.2 硫化體系對(duì)NBR性能的影響

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)硫化體系，具體方案如表2所示。

表2 硫化體系正交試驗(yàn)方案 份

設(shè)計(jì)方案1—16膠料的邵爾A型硬度分別為68，68，68，68，67，66，66，67，68，68，67，67，68，67，68和68度，可知試驗(yàn)設(shè)計(jì)硫化體系對(duì)膠料的邵爾A型硬度影響不大，膠料硬度集中在66～68度之間。

硫化體系對(duì)NBR拉伸強(qiáng)度和體積電阻率的影響如圖1所示。由圖1可知：方案11膠料的拉伸強(qiáng)度最大，其主要原因?yàn)椋海?）當(dāng)氧化鋅用量過(guò)小時(shí)膠料得不到充分的硫化，而其用量過(guò)大時(shí)容易造成過(guò)硫現(xiàn)象；（2）氧化鎂在NBR中主要起到防止焦燒的作用，當(dāng)其用量過(guò)小時(shí)容易使膠料在混煉過(guò)程中發(fā)生早期硫化現(xiàn)象；（3）當(dāng)促進(jìn)劑DM用量過(guò)大時(shí)能夠增大膠料的硫化速度造成過(guò)硫，用量過(guò)低時(shí)會(huì)降低膠料的硫化速度使得膠料硫化不充分。硫化體系對(duì)NBR體積電阻率的影響不大。

圖1 硫化體系對(duì)NBR性能的影響

2.3 CR用量對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響

根據(jù)硫化體系對(duì)NBR性能影響的情況，選取綜合性能最好的方案11研究CR用量對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響。

NBR/CR用量比分別為90/10，80/20，0/30，60/40和50/50時(shí)，并用膠門尼粘度分別為76，73，72，68，64和63，并用膠門尼粘度隨著CR用量的增大而減小。門尼粘度的減小首先能夠使兩種膠料更好地混煉，其次在硫化過(guò)程中膠料容易流動(dòng)，使并用膠能夠更好地充模。

圖2所示為CR用量對(duì)NBR/CR并用膠拉伸強(qiáng)度和體積電阻率的影響。

圖2 CR用量對(duì)NBR/CR并用膠拉伸強(qiáng)度和體積電阻率的影響

由圖2可知：隨著CR用量的增大，并用膠的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，其主要原因是CR具有自補(bǔ)強(qiáng)作用，當(dāng)CR用量增大時(shí)，并用膠的拉伸強(qiáng)度具有一定的增大趨勢(shì)；拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大后繼續(xù)增大CR用量，并用膠的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，主要是由于CR的結(jié)晶性能不完善，在大變形下，并用膠容易在結(jié)晶薄弱處斷裂。加入CR并用膠的體積電阻率呈現(xiàn)總體增大的趨勢(shì)，但在CR用量超過(guò)20份后，隨著CR用量的進(jìn)一步增大，并用膠的體積電阻率呈減小趨勢(shì)，其原因?yàn)椋篘BR與CR相比，NBR的體積電阻率較小，加入CR能夠增大并用膠的體積電阻率。

CR用量對(duì)水浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響如圖3所示。由圖3可知：水浸泡后并用膠的拉伸強(qiáng)度和體積電阻率與未浸泡并用膠的拉伸強(qiáng)度和體積電阻率的變化規(guī)律大體一致。

圖3 CR用量對(duì)水浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

CR用量對(duì)油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著CR用量的增大，并用膠耐油性能逐漸增強(qiáng)，其主要原因?yàn)椋篘BR采用硫黃硫化體系時(shí)產(chǎn)生鍵能較低的碳-硫鍵，油浸泡后性能不穩(wěn)定，而CR具有良好的耐老化性能以及耐油性能，當(dāng)CR用量增大時(shí)，并用膠耐油性能增強(qiáng)。

圖4 CR用量對(duì)油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

2.4 炭黑牌號(hào)和用量對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響

分別取50份炭黑N115，N330和N550研究炭黑對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響。試驗(yàn)配方為：NBR/CR 70/30，炭黑 50，白炭黑 20，氧化鎂 6，氧化鋅 5，芳烴油V700 16，活性劑SAD 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，促進(jìn)劑DM 0.4，硫黃 2。

2.4.1 炭黑牌號(hào)

添加炭黑N115，N330和N550的并用膠拉伸強(qiáng)度分別為20.00，20.65和22.75 MPa，體積電阻率 分 別 為20.7×1010，103.4×1010和875.3×1010Ω·cm，可見(jiàn)炭黑N550的補(bǔ)強(qiáng)效果最好，其主要原因是炭黑N115和N330在膠料中不容易分散，容易造成膠料混煉不均勻，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)效果不明顯；分散性較好的炭黑N550膠料的體積電阻率最大。

2.4.2 炭黑用量

炭黑N550的用量對(duì)NBR/CR并用膠拉伸強(qiáng)度和體積電阻率的影響如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)炭黑N550用量為40份時(shí)，并用膠拉伸強(qiáng)度最大，主要原因是由于當(dāng)炭黑N550的用量較小時(shí)對(duì)并用膠的補(bǔ)強(qiáng)效果不明顯，而炭黑用量過(guò)大時(shí)炭黑分散效果變差，不但影響了補(bǔ)強(qiáng)作用，而且還會(huì)影響并用膠的其他性能；隨著炭黑用量的增大，并用膠的體積電阻率減小，當(dāng)炭黑N550用量大于30份后，并用膠體積電阻率減幅增大，其原因?yàn)樘亢贜550在并用膠中的分散具有一定的閾值，當(dāng)超過(guò)閾值后，其分散效果急劇變差，導(dǎo)致并用膠體積電阻率減小明顯。

圖5 炭黑N550用量對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響

水環(huán)境下炭黑N550用量對(duì)NBR/CR并用膠拉伸強(qiáng)度減小率和體積電阻率減小率的影響如圖6所示。由圖6可知：在耐水試驗(yàn)中，隨著炭黑N550用量的增大，并用膠拉伸強(qiáng)度減小率和體積電阻率減小率均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)炭黑N550用量大于40份后，并用膠拉伸強(qiáng)度減小率和體積電阻率減小率增大得更明顯，原因是炭黑N550吸水能力較強(qiáng)，炭黑用量越大，并用膠在水環(huán)境下的老化速率越大。因此，當(dāng)NBR/CR用量比為70/30時(shí)，在滿足其他性能的前提下，炭黑N550用量應(yīng)盡量小于40份。

圖6 炭黑N550用量對(duì)水浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

油環(huán)境下炭黑N550用量對(duì)NBR/CR并用膠拉伸強(qiáng)度減小率和體積電阻率減小率的影響如圖7所示。由圖7可知：隨著炭黑N550用量的增大，拉伸強(qiáng)度減小率和體積電阻率減小率都呈增大的趨勢(shì)；當(dāng)炭黑N550用量大于40份后，減小率增大得較為明顯，原因是炭黑N550吸油后能夠加速膠料的老化，并使炭黑N550在膠料中發(fā)生團(tuán)聚。

圖7 炭黑N550用量對(duì)油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

2.5 白炭黑用量對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響

白炭黑對(duì)NBR/CR并用膠性能影響試驗(yàn)配方為：NBR/CR 70/30，炭黑N550 40，氧化鎂 6，氧化鋅 5，芳烴油V700 16，活性劑SAD 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，促進(jìn)劑DM 0.4，硫黃 2，白炭黑 10～40。

白炭黑用量對(duì)NR/CR并用膠拉伸強(qiáng)度和體積電阻率的影響如圖8所示。白炭黑用量對(duì)水和油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響如圖9和10所示。由圖8—10可知：隨著白炭黑用量的增大，并用膠料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小。由圖9和10可知，在水環(huán)境下并用膠的拉伸強(qiáng)度和體積電阻率較大，這是由于白炭黑具有吸濕性，在水環(huán)境下能夠?qū)Σ⒂媚z產(chǎn)生一定的保護(hù)作用，當(dāng)白炭黑用量超過(guò)一定值后，膠料的性能才會(huì)發(fā)生較大的變化；隨著白炭黑用量的增大，NBR/CR并用膠的耐油性能變差，主要原因是白炭黑對(duì)油的吸收能力較強(qiáng)，白炭黑用量越大，吸附的油越多，老化就越快。綜合考慮，白炭黑用量為20份時(shí)NBR/CR并用膠的綜合性能最好。

圖8 白炭黑用量對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響

圖9 白炭黑用量對(duì)水浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

圖10 白炭黑用量對(duì)油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

2.6 硫化時(shí)間對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響

在對(duì)NBR/CR并用膠進(jìn)行硫化特性測(cè)試時(shí)，并用膠硫化曲線沒(méi)有明顯的平坦期，在以上所做試驗(yàn)中，膠料硫化時(shí)間均為50 min。

硫化時(shí)間對(duì)NBR/CR并用膠性能的影響試驗(yàn)配方為：NBR/CR 70/30，炭黑N550 40，白炭黑 20，氧化鎂 6，氧化鋅 5，芳烴油V700 16，活性劑SAD 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，促進(jìn)劑DM 0.4，硫黃 2。硫化時(shí)間為30，40，50，60和70 min的硫化膠拉伸強(qiáng)度分別為19.6，20.4，22.8，21.9和18.3 MPa，可知隨著硫化時(shí)間的延長(zhǎng)，硫化膠的拉伸強(qiáng)度先增大后減小。其主要原因?yàn)椋毫蚧瘯r(shí)間過(guò)短容易造成欠硫，而硫化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易造成過(guò)硫，在膠料長(zhǎng)時(shí)間硫化的過(guò)程中分子鏈容易斷裂造成硫化膠拉伸強(qiáng)度減小的現(xiàn)象。因此50 min為最佳硫化時(shí)間。

3 結(jié)論

（1）NBR/CR并用膠（并用比為70/30）的硫化體系最佳配比為：氧化鋅 5，氧化鎂 6，促進(jìn)劑DM 0.4，硫黃 2。

（2）NBR/CR用量比為70/30時(shí)，并用膠的綜合性能最好。

（3）使用炭黑N550的NBR/CR并用膠拉伸強(qiáng)度、體積電阻率和耐水、油性能最佳，且當(dāng)炭黑N550用量為50份、白炭黑為20份時(shí)補(bǔ)強(qiáng)效果最好。

（4）硫化時(shí)間為50 min時(shí)NBR/CR并用膠的拉伸強(qiáng)度最大。