不同牌號炭黑對氯丁橡膠與黃銅粘合的影響研究

米廣杰，于凱本，李天涯，林廣義

（1.泰山職業技術學院，山東 泰安 271001；2.國家深海基地管理中心，山東 青島 266237；3.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

氯丁橡膠（CR）是由氯丁二烯聚合制得的合成橡膠，其耐老化、耐油、耐腐蝕、穩定性等性能優于其他橡膠，因此在許多場合中得到了廣泛的應用[1-4]。隨著社會的不斷發展以及科技的不斷進步，單一橡膠制品逐漸表現出很多不足之處，但橡膠與金屬粘合技術的發展彌補了這一缺陷[5-6]。

選擇CR2442[7]和黃銅H68進行粘合研究，考察不同炭黑對其粘合性能的影響。這是因為CR2442屬硫醇調節型CR，以秋蘭姆為穩定劑，具有易保存、易結晶、耐腐蝕、耐油性好等優點[8-10]；黃銅H68具有良好的可塑性和高強度，在黃銅中性能居優。

1 實驗

1.1 主要原材料

黃銅H68，銅質量分數為0.67～0.7，廣東金環銅鋁材料有限公司產品；CR2442，重慶長壽捷圓化工有限公司產品；炭黑N550、N330、N115和N234，卡博特化工有限公司產品；白炭黑，德國德固賽公司產品；芳烴油V700，德國漢圣化工集團產品。

1.2 配方

CR 100，炭黑（變牌號，1#—4#配方分別采用N550，N330，N115和N234）30，白炭黑 15，芳烴油 10，氧化鋅 4，氧化鎂 2，硬脂酸 0.5，間苯二酚-甲醛樹脂SL-3022 1，防老劑RD 1，防老劑4010 2，鈷鹽粘合增進劑 0.3，粘合劑RA-65 1，硫黃 2，促進劑DM 0.15。

1.3 主要設備和儀器

BL-6157型雙輥開煉機，東莞市寶輪精密檢測儀器有限公司產品；XSM-500型橡塑試驗密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；QLB-400×400×2型平板硫化機，上海第一橡膠機械廠產品；M-2000-AN型無轉子硫化儀，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；UM-2050型門尼粘度儀和TS 2005b型拉力試驗機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品。

1.4 試樣制備

設定密煉機初始溫度為70 ℃，轉速為70 r·min-1。將CR和小料同時添加到密煉機中混煉1 min，加入炭黑混煉1 min，再將白炭黑和芳烴油依次加入密煉機中混煉1 min，當溫度顯示為100～110 ℃時，在30～60 s后排膠，立即對混煉膠過輥1～2次進行冷卻，并在開煉機上進行開煉，依次加入促進劑、氧化鋅、硫黃，左右割膠5次，待小料混合均勻后，打三角包和圓包5次，薄通8～10次，壓片冷卻后待用。

膠料采用平板硫化機進行硫化，硫化條件為150 ℃/10 MPa×1.3t90。硫化試片室溫冷卻24 h后用于性能測試。

1.5 性能測試

各項性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 物理性能

不同牌號的炭黑對CR膠料物理性能的影響如表1所示。

表1 不同牌號的炭黑對CR物理性能的影響

從表1可以看出，2#配方膠料在老化前后以及水浸泡后的邵爾A型硬度變化最小。硫化膠硬度的變化在一定程度上能夠影響粘合力的大小，在水下環境使用CR2442時，在考慮硬度的前提下可以選擇炭黑N330作為補強填料。

定伸應力主要反映硫化膠抵抗變形的能力，同時在一定程度上能夠反映硫化膠的交聯程度。4#配方膠料在老化前后以及水浸泡后定伸應力最大。這是因為定伸應力一部分受硫化的影響；另一部分受粒子間作用力的影響。炭黑N234相比其他3種牌號的炭黑，其粒徑以及比表面積居中，在膠料的硫化過程中小粒徑或大粒徑的炭黑粒子都會對膠料的硫化產生一定的影響，從而影響硫化膠料的定伸應力。膠料硫化過程中炭黑粒子逐漸平鋪在膠料中，炭黑粒徑過小會使相鄰粒子間的作用力較小；炭黑粒徑過大，相應的炭黑數量會減小，也會引起粒子間作用力的減小，從而會使硫化膠的定伸應力變小。

3#配方膠料在熱老化前后拉伸強度最大。這是因為炭黑N115具有較小的粒徑、較大的比表面積，在膠料的混煉過程中比較容易分散，從而使拉伸強度較大。而在水下，炭黑N115吸水能力較強，進一步導致拉伸強度降低。

在4種牌號炭黑中，炭黑N330具有良好的耐磨性能。在深海環境用水密接插件插頭和插座的插拔過程中，CR與黃銅之間的摩擦在很大程度上決定水密接插件的使用壽命以及信號和能量傳輸的效率。用于水下的連接器使用炭黑N330作為CR的補強填料具有良好的耐磨性能。

4種配方硫化膠熱老化后體積電阻率呈現上升的趨勢，水浸泡后體積電阻率呈現下降的趨勢。這是因為在受熱老化狀態下，根據受熱膨脹原理，炭黑粒子間距離增大，使體積電阻率下降；水浸泡后炭黑粒子以及其他填料吸水增加了硫化膠內部的導電介質，從而引起導電性能的提高，相應體積電阻率減小。

2.2 粘合力

CR與黃銅之間的粘合分為化學粘合和物理粘合。化學粘合主要是在橡膠和黃銅的接觸面處生成鍵價力較大的物質，用于黃銅和橡膠之間的粘合；物理粘合主要是在黃銅表面涂上粘合劑，在硫化壓力和溫度、時間的共同作用下使橡膠和黃銅之間發生粘合。

2.2.1 化學粘合

本研究采用的粘合體系為間苯二酚-甲醛樹脂SL-3022、粘合劑RA-65、白炭黑、鈷鹽粘合促進劑。不同牌號炭黑對CR2442與黃銅化學粘合力的影響如圖1所示。老化試驗在老化試驗箱中進行，老化溫度為100 ℃，時間為24 h；水浸泡試驗中，溫度為60 ℃，時間為24 h。

圖1 不同牌號炭黑對CR2442與黃銅化學粘合力的影響

從圖1可以看出，采用炭黑N550的膠料的初始、老化以及水浸泡后的抽出力均最大，原因在于：（1）添加炭黑N550的混煉膠具有較低的門尼粘度，有利于膠料在硫化模具中的流動，硫化膠能夠得到較大的初始抽出力；（2）受熱老化后抽出力都存在普遍上升的趨勢，主要原因在于膠料中CR2442與黃銅粘合處有一部分硫黃繼續與黃銅表面的銅離子發生反應，使抽出力進一步提高；（3）水浸泡后銅絲的抽出力也存在上升的趨勢，主要因為60℃時硫黃與銅絲發生緩慢的化學反應會引起抽出力的增大，其次膠料中的白炭黑吸附的水以化合態的形式存在，降低了膠料的腐蝕速率。采用炭黑N550的膠料由于炭黑粒徑較大，有助于白炭黑對水分的吸收，使采用炭黑N550的膠料銅絲抽出力較大。

2.2.2 物理粘合

粘結劑采用開姆洛克205，稀釋劑采用CH205專用稀釋劑，二者質量比為1/0.3。不同牌號炭黑對CR2442與黃銅物理粘合力的影響如圖2所示。

圖2 不同牌號炭黑對CR2442與黃銅物理粘合力的影響

從圖2可以看出，同一粘合劑下，采用炭黑N550膠料的初始粘合抽出力、熱老化后抽出力以及水浸泡后抽出力均最大。這是因為物理粘合抽出力受到炭黑結構的影響，膠料中的白炭黑吸附的水以化合態的形式存在，降低了膠料的腐蝕速率。采用炭黑N550的膠料由于炭黑粒徑較大，有助于白炭黑對水的吸收，因此銅絲抽出力較大。

3 結論

（1）采用炭黑N330的膠料在老化前后、水浸泡前后硬度的保持率最好。

（2）采用炭黑N234所制備的硫化膠具有良好的定伸應力。

（3）老化前后采用炭黑N115所制備的硫化膠料具有良好的拉伸強度，經水浸泡后采用炭黑N330所制備的硫化膠拉伸強度保持率最好。

（4）無論是物理粘合法還是化學粘合法，采用炭黑N550的膠料其初始抽出力、熱老化后抽出力以及水浸泡后抽出力均最大。