高彈性低壓縮永久變形丁腈橡膠密封材料的研究

陳曉駿

（上海霓項材料技術有限公司，上海 201500)

彈性和壓縮永久變形是橡膠材料兩個重要的性能指標，是其變形外力去除后恢復形狀的能力。對于丁腈橡膠（NBR)來說，丙烯腈含量、門尼粘度、填料體系和硫化體系直接影響其彈性[1]。一般情況下，較高彈性的橡膠材料壓縮永久變形較小。通過良好的配合可以賦予NBR密封材料高彈性和低壓縮永久變形。

本工作通過主體材料和硫化體系選擇，制備高彈性、低壓縮永久變形，同時兼顧抗撕裂性能的NBR密封材料。

1 實驗

1.1 主要原材料

NBR，牌號1846F，3445F，3945F，德國朗盛公司產品；牌號N41，中國石油蘭州石化公司產品；炭黑N550，上海卡博特化工有限公司產品；白炭黑，牌號175G，德國贏創德固賽公司產品。

1.2 配方

基本配方：NBR 100，炭黑N550 60，白炭黑175G 20，增塑劑DOP 5，氧化鋅 5，硬脂酸1，防老劑RD 1.5，防老劑MB 1.5，其他 8。

1#—4#配方所用主體材料分別為：1846F，1846F/N41并用膠（并用比為80/20)，3445F/N41并用膠（并用比為80/20)，3945F/N41并用膠（并用比為80/20)。

5#—8#配方所用硫化體系分別為：硫黃/促進劑TMTD用量比為0.4/2，硫黃/促進劑TMTD用量比為0.4/4，硫黃/促進劑TMTD用量比為0.8/2，硫黃/促進劑TMTD用量比為0.8/4。

1.3 主要設備和儀器

Φ160 mm×320 mm型兩輥開煉機，佰弘機械（上海)有限公司產品；GT-H2000-PA型無轉子硫化儀，高鐵檢測儀器有限公司產品；邵爾A型硬度計和Z010萬能材料試驗機，德國Zwick公司產品；RET-05型橡膠沖擊回彈測試儀，蘇州亞諾天下儀器有限公司產品。

1.4 試樣制備

在開煉機上加入橡膠、小料、炭黑、硫黃和促進劑，混合均勻后左右3/4各割刀3次，薄通打三角包6次，排氣下片。混煉膠停放12 h，沿壓延方向裁取拉伸性能和壓縮永久變形試片，按垂直壓延方向裁取撕裂強度試片，硫化條件為170 ℃×t90。

1.5 性能測試

（1)硫化特性：按照ASTM D 2084—2011進行測試，轉子轉動角度為±1°，頻率為1.67 Hz。

（2)拉伸性能：按照GB/T 528—2009進行測試，Ⅰ型試樣，拉伸速率為500 mm·min-1，測試溫度為（23±2) ℃。

（3)壓縮永久變形：按照GB/T 7759—2005進行測試，B型試樣，試驗條件為100 ℃×70 h，壓縮率為25%。

（4)其他性能按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 主體材料選擇

主體材料對混煉膠硫化特性的影響見表1。

表1 主體材料對混煉膠硫化特性（170 °C）的影響

從表1可以看出：隨著NBR丙烯腈含量提高，膠料的FL和Fmax增大，ts2縮短，這是由于NBR的極性增大，膠料的混煉生熱升高；t90延長，這是由于NBR的極性基團增加，雙鍵含量降低。

主體材料對硫化膠性能的影響見表2。

表2 主體材料對硫化膠性能的影響

從表2可以看出，只用1846F的1#配方NBR丙烯腈含量最低，硫化膠的硬度、定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度最低，彈性最高，壓縮永久變形最小。隨著NBR丙烯腈含量增大，硫化膠的硬度、定伸應力和拉伸強度提高。熱空氣老化后，硫化膠的硬度和定伸應力提高，拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度降低。2#配方膠料主體材料采用1846F/N41并用（并用比為80/20)，其硫化膠的撕裂強度最高，彈性較高，壓縮永久變形較小，綜合性能較好。

2.2 硫化體系選擇

通過上述試驗，確定主體材料采用1846F/N41并用（并用比為80/20)。由于炭黑N550具有較佳的補強性能和有利于減小硫化膠壓縮永久變形，而白炭黑能夠改善硫化膠撕裂性能，但是用量過大會導致硫化膠彈性降低以及壓縮永久變形增大，因此填料適合采用60份炭黑N550與20份白炭黑175G并用。下面討論硫化體系對NBR膠料性能的影響[2-3]。

硫化體系對混煉膠硫化特性的影響見表3。

表3 硫化體系對混煉膠硫化特性（170 °C）的影響

從表3可以看出：增大促進劑和硫黃用量，膠料的Fmax增大，ts2縮短，這說明交聯程度增大；促進劑用量較小時，增大硫黃的用量，t90延長。

硫化體系對硫化膠性能的影響見表4。

表4 硫化體系對硫化膠性能的影響

從表4可以看出，增大硫黃和促進劑用量，硫化膠的硬度和定伸應力提高，拉斷伸長率和撕裂強度下降。硫黃用量較小時，增大促進劑用量，硫化膠的彈性提高，壓縮永久變形減小，撕裂強度降低。硫黃用量較大時促進劑用量增大，硫化膠彈性降低，這是由于交聯達到一定程度后，交聯點之間的分子鏈太短影響了硫化膠的彈性。熱空氣老化后，硫化膠的硬度和定伸應力提高，拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度降低。促進劑用量較大的6#配方，硫化膠的彈性最高，壓縮永久變形最小，這說明低硫高促的有效硫化體系對硫化膠的彈性有利，同時撕裂強度較大。而硫黃用量增大，會導致交聯鍵中多硫鍵增多，進而導致硫化膠彈性和耐熱老化性能變差，壓縮永久變形增大。

3 結論

（1)NBR的丙烯腈含量高，混煉膠的ts2短，t90長；NBR的丙烯腈含量低，硫化膠的彈性好，壓縮永久變形小，但撕裂強度等物理性能較差。

（2)適當增大促進劑用量，硫化膠的彈性提高，壓縮永久變形減小。硫黃用量增大會導致硫化膠的壓縮永久變形增大。

（3)NBR丙烯腈質量分數為0.225左右，采用低硫高促的硫化膠彈性高，壓縮永久變形小，抗撕裂強度性能好。