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增塑剂对丁腈橡胶胶料性能的影响

作者:四川天屿翔机械设备有限公司 浏览: 发表时间:2024-03-27 10:48:58

丁腈橡胶(NBR)是由丁二烯和丙烯腈经乳液聚合反应制得的无规共聚物。分子链中丙烯腈结构单元的存在使NBR具有良好的耐油性能、耐热性能、气密性能和粘合性能等其他通用合成橡胶不具备的优异性能,因此NBR被广泛应用于耐油胶管、密封材料和发泡材料等领域。

 

NBR在加工过程中存在混炼性能差、生热高、不易包辊、吃料慢、填料分散困难等缺点,而增塑剂的使用能显著改善NBR在加工过程中的混炼性能和压延、挤出、注塑等成型性能,且对调节制品的物理性能等具有显著效果。近年来,随着NBR 在各行业的广泛应用,其增塑剂也受到了橡胶工业研究领域的密切关注。

 

本工作从种类和用量两个方面研究增塑剂对NBR胶料性能的影响。

 

1    实验

 

1. 1    主要原材料

 

NBR,牌号2665;炭黑N550;轻质碳酸钙;增塑剂:DOSDOP(酯类增塑剂)、TP-95(环保型醚酯类增塑剂)和PPA2500(平均相对分子质量为2 500的聚酯类增塑剂)。

 

1. 2    试验配方

 

NBR  100,炭黑N550  80,轻质碳酸钙 12,氧化锌 5,硬脂酸 1,防老剂 3,硫黄 0. 5,促进剂TMTD   2,促进剂CBS   1,增塑剂(变品种)变量。

 

1#4# 配方分别加入增塑剂DOSTP-95PPA2500DOP,用量均为15份;5#6#配方分别加入525份增塑剂DOP

 

1. 3    试样制备

 

胶料采用两段混炼工艺,一段混炼加入除硫化体系外的所有物料,得到的一段混炼胶用开炼机下片,停放4 h;二段混炼加入一段混炼胶、硫黄和促进剂,得到的终炼胶用开炼机下片,停放16 h

 

胶料在平板硫化机上硫化,硫化条件为185 /15 MPa×150 s

 

1. 4    性能测试

 

1)密炼性能:采用密炼机监控密炼能量消耗和排胶温度。

 

2)门尼粘度:采用GT-7080-S2型门尼粘度仪按照ASTM D 1646测试。

 

3Payne效应:采用RPA2000橡胶加工分析仪对胶料进行应变扫描和应力松弛分析,应变扫描条件为:温度 100频率 1 Hz;应力松弛测试条件为:温度 100 预热 60 s,时间 120 s


4)硫化特性:采用GT-M2000A型无转子硫化仪按照GB/T 165841996测试。

 

5)物理性能:邵尔A型硬度采用HT3000型橡胶硬度计按照GB/T 531. 12008测试;拉伸应力应变性能采用AG-20KNG型电子拉力机按照GB/ T 5282009测试;回弹值采用Roell 5109型回弹仪按照GB/T 16812009测试;压缩永久变形采用压缩永久变形试验装置按照GB/T 7759. 12015测试,采用A型试样,测试条件为100 ℃×70 h

 

6)动态力学性能:采用EPLEXOR 500N型动态力学分析仪测试,扫描频率为11 Hz,升温速率为3 ℃·min-1,温度范围为-6060 ℃。

 

2    结果与讨论

 

2. 1    密炼性能

 

NBR胶料的密炼能量消耗和排胶温度如表1所示。


 


从表1可以看出:填充不同类型增塑剂的胶料(1#4#配方胶料)的密炼能量消耗几乎相同,其中1#配方胶料的排胶温度最低,表明填充增塑剂DOS 的胶料密炼温升最低;随着增塑剂DOP用量的增大(依次为5#4#6#配方胶料),胶料的密炼能量消耗减小,排胶温度降低。在密炼过程中应根据增塑剂种类和用量调整密炼工艺,以防止密炼温度过高而引起胶料焦烧。

 

2. 2    混炼胶性能

 

NBR胶料的门尼粘度和应力松弛如表2所示。


 

从表2可以看出:填充不同类型增塑剂的胶料的门尼粘度由小到大依次为1#4#3#2#配方胶料,应力松弛速度由快到慢依次为4#1#3#2# 配方胶料,表明填充增塑剂DOS的胶料的流动性最好,满足模压成型工艺中胶料快速充满模具的要求;填充增塑剂DOP的胶料的应力松弛最快,满足挤出成型工艺中半成品尺寸稳定性的要求。随着增塑剂DOP用量的增大,胶料的门尼粘度显著减小,应力松弛速度加快,但胶料的强度降低,挺性变差。

 

NBR胶料的储能模量(G′)与应变的关系曲线如图1所示。


 

胶料的Payne效应是表征填料分散性的重要方法。从图1可以看出,填充不同类型增塑剂的胶料的Payne效应由强到弱依次为2#3#4#1#配方胶料,表明填充增塑剂DOS的胶料最有利于填料分散,填充增塑剂TP-95的胶料填料分散性最差。随着增塑剂DOP用量的增大,胶料的Payne效应显著减弱,填料分散性提高。

 

NBR胶料的硫化特性(185 ℃如表3所示。


 

从表3可以看出:在填充不同类型增塑剂的胶料中,填充增塑剂DOS的胶料的FL最小,流动性最好;填充增塑剂PPA2500的胶料的FL最大,挺性最佳;填充增塑剂DOS的胶料的t90最长;填充增塑剂TP-95的胶料的ts1t90最短,填充增塑剂PPA2500 DOP的胶料的ts1最长,t90居中。应根据不同增塑剂对胶料硫化特性的影响,结合胶料的工艺操作安全性和生产效率要求选择合适的增塑剂。

 

从表3还可以看出,随着增塑剂DOP用量的增大,胶料的FLFmax减小,ts1t90延长,这主要是由于增塑剂用量增大,降低了橡胶分子之间以及橡胶与填料之间的相互作用力,且稀释了硫化体系所致。

 

2. 3    硫化胶性能

 

NBR胶料的物理性能如表4所示。


 

从表4可以看出,填充不同增塑剂的胶料的拉伸强度基本相近,1#配方胶料的拉断伸长率最大,表明增塑剂DOS有利于增大胶料的拉断伸长率。随着增塑剂DOP用量的增大,NBR胶料的拉伸强度降低,拉断伸长率增大,这是因为增塑剂DOP用量增大,硫化体系在胶料中的含量降低,进而降低了胶料的交联密度;其次,增塑剂降低了橡胶分子之间和橡胶与填料之间的相互作用力,导致填料对胶料的补强效果降低。

 

从表4还可以看出,1#4#配方胶料的硬度和 回弹值小于2#3#配方胶料,表明增塑剂DOSDOP对胶料硬度的减小效应较强,增塑剂TP-95 PPA2500对胶料的回弹值有利;1#配方胶料的压缩永久变形较大,表明增塑剂DOS对胶料的抗压缩永久变形性能不利。随着增塑剂DOP用量的增大,胶料的硬度减小,回弹值增大,抗压缩永久变形性能下降。

 

NBR胶料的动态力学性能如图2和表5所示,其中tanδ为损耗因子,Tg为玻璃化温度,tanδmax为最大损耗因子。





填充增塑剂是提高NBR胶料耐低温性能的重要方法。从图2和表5可以看出:1#3#配方胶料的Tg接近,且低于4#配方胶料,表明增塑剂DOP对胶料的耐低温性能相对不利;随着增塑剂DOP用量的增大,胶料的玻璃化转变峰向低温区域移动,表明胶料的耐低温性能提高。

 

tanδ是反映胶料阻尼性能的重要参数。从表5可以看出,不同类型增塑剂对胶料阻尼温域的影响不大,但3#4#配方胶料的tanδmax大于1#2#配方胶料,表明填充增塑剂PPA2500DOP的胶料阻尼性能较好。随着增塑剂DOP用量的增大,胶料的阻尼温域变宽,tanδmax增大,这可能是由于在一定范围内增大增塑剂用量,使橡胶分子的运动能力增强,导致在动态条件下产生的力学损耗增大,从而在一定程度上提高了胶料的阻尼性能。

 


3    结论

 

1)在填充不同类型增塑剂的胶料中,填充增塑剂DOS的胶料的排胶温度最低,门尼粘度最小,Payne效应最弱,硫化速度最慢拉断伸长率和压缩永久变形最大;填充增塑剂DOP的胶料的应力松弛最快,硫化特性较好,耐低温性能较差;填充增塑剂TP-95PPA2500的胶料的排胶温度较高,应力松弛较慢,Payne效应较强,硬度和回弹值较大。增塑剂种类对胶料的混炼能耗、拉伸强度和阻尼温域等性能影响不大。

 

2)随着增塑剂DOP用量的增大,胶料的密炼能量消耗减小,排胶温度降低,门尼粘度明显减小,应力松弛速度加快,Payne效应减弱,硫化速度变慢,硬度减小,拉伸强度降低,拉断伸长率和回弹值增大,抗压缩永久变形性能下降,耐低温性能和阻尼性能提高。


 

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