劉廣永1，張家山2，商元元1，邱桂學(xué)1(1.青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，青島 266042;2.淄博蓄電池廠火炬工貿(mào)總公司，淄博 255056)
摘要：研究了炭黑及白炭黑對胺類硫化體系硫化的AEM 橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用，并探討了炭黑和白炭黑種類及用量對AEM 硫化膠力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，炭黑用量為40份時，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均最佳;炭黑N330，N550，N660和N774對AEM 的補(bǔ)強(qiáng)作用分別為具有較好力學(xué)強(qiáng)度、較好壓縮永久變形、較好力學(xué)性能均衡性和較差補(bǔ)強(qiáng)效果;白炭黑對AEM 的補(bǔ)強(qiáng)效果較好。
關(guān)鍵詞：AEM;炭黑;白炭黑;補(bǔ)強(qiáng);拉伸強(qiáng)度;撕裂強(qiáng)度
中圖分類號：TQ333.97文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-4030(2012)03-0034-05
丙烯酸酯橡膠按主要單體的不同可分為丙烯酸酯系(ACM)和乙烯—丙烯酸酯系(AEM)2種類型[1]。AEM 性能優(yōu)于其他丙烯酸酯橡膠，其乙烯鏈段賦予了AEM 良好的耐低溫性能，而甲基丙烯酸酯鏈段賦予了AEM 良好的耐油性能，共聚物主鏈完全飽和，故耐臭氧攻擊性能優(yōu)異[2]。AEM 多用于汽車發(fā)動機(jī)及傳動系統(tǒng)的密封機(jī)構(gòu)等，比如用作發(fā)動機(jī)渦輪增壓管、空氣冷卻管、活塞密封件、氣缸前蓋密封件和油盤墊片等[3]。本實(shí)驗研究了炭黑及白炭黑種類和用量對胺類硫化體系硫化的AEM 橡膠力學(xué)性能的影響，以期能為AEM 的實(shí)際應(yīng)用提供參考。
1 實(shí)驗
1.1 主要原材料
AEM，美國杜邦公司;18D，上海景惠化工公司;硬脂酸，分析純，萊陽化工實(shí)驗廠;VAM，上海景惠化工公司;DOTG，上海景惠化工公司;1#硫化劑，上海景惠化工公司;防老劑445，上海景惠化工公司;炭黑，N660，N330，N550和N774，青島德固薩有限公司;白炭黑，BT—02型，烏海市天源化工有限責(zé)任公司;其他助劑均為市售橡膠工業(yè)常用原材料。
1.2 主要儀器與設(shè)備
開煉機(jī)，XK-160，上海橡膠機(jī)械廠;氣壓自動切片機(jī)，GT-7016-AR，高鐵檢測儀器有限公司;平板硫化機(jī)，XLB，青島亞東橡膠機(jī)械有限公司;橡膠硬度計，LX-A，上海六中量儀廠;厚度計，HD-10，上海化工機(jī)械廠;老化實(shí)驗箱，401A型，上海實(shí)驗儀器總廠;拉力實(shí)驗機(jī)，AI-7000M，高鐵科技股份有限公司;掃描電子顯微鏡(SEM)，JSM-6700F，日本JEOL公司。
1.3 基本配方
基本配方(質(zhì)量份)：AEM，100;SA，1.5;VAM，1;18D，0.5;防老劑445，2;DOTG，4;1#硫化劑，1.5;炭黑，變品種、變量;白炭黑，變品種、變量。
1.4 試樣制備
使用開煉機(jī)混煉膠料。先加入AEM，待其包輥后加入內(nèi)脫模劑，混煉均勻后依次加入防老劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、硫化助劑及硫化劑，再次混煉均勻后，調(diào)小輥距至1mm，薄通3到5次，放大輥距下片，停放24h后，返煉，備用。用平板硫化機(jī)進(jìn)行一段硫化，用烘箱進(jìn)行二段硫化，硫化溫度均為170℃。
1.5 分析與測試
拉伸性能按GB/T528-2009測試;撕裂性能按GB/T529-2008測試;邵爾A 硬度采用壓入式硬度計按GB/T531-2008測試;壓縮永久變形按GB/T7759-1996 測試，測試條件為150℃×72h，壓縮率為25%;老化性能按GB/T3512-2001測試，在150℃烘箱中分別放置72h和168h，取出后測試?yán)煨阅芎陀捕取?/p>
使用炭黑分散儀按ASTM D-2663測試炭黑分散度，用小刀在試樣上切取約1cm厚混煉膠，然后置于炭黑分散儀下觀察斷面上炭黑分散情況。使用掃描電子顯微鏡觀察并研究沖擊斷面形態(tài)結(jié)構(gòu)及斷裂行為。觀察之前，試樣在鍍膜機(jī)內(nèi)噴金處理，直接使用SEM 觀察其斷面形貌。
2 結(jié)果與討論
2.1 炭黑用量對AEM 性能的影響
2.1.1 炭黑用量對AEM 力學(xué)性能的影響
確定硫化劑用量為1.5份，一段硫化時間為6min，二段硫化時間為5h[4]，用炭黑(N660)作補(bǔ)強(qiáng)劑。研究了炭黑用量對AEM 硫化膠力學(xué)性能的影響，結(jié)果見圖1和圖2。
從圖1和圖2可看出，隨著炭黑用量的增大，硬度逐漸增大，拉斷伸長率逐漸下降;拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都是先增大后減小。當(dāng)炭黑用量為40份時，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都達(dá)到最大值，分別為19.2MPa和55.3kN/m。隨著炭黑用量的進(jìn)一步增加，兩者都有一定程度地下降。
表1給出了炭黑用量對AEM 硫化膠其他力學(xué)性能的影響。從表1可看出，100%定伸應(yīng)力和300%定伸應(yīng)力都隨炭黑用量的增加而增大;當(dāng)炭黑用量超過30份時，拉斷永久變形不再隨炭黑用量的增加而變化。
2.1.2 炭黑用量對AEM 老化性能的影響
將炭黑不同用量的硫化膠放置于150℃老化箱中，分別放置72h和168h，取出測試其性能。
表2為炭黑用量對AEM硫化膠老化性能的影響。
由表2可看出，老化時間較短時，拉伸強(qiáng)度有一定幅度的升高;老化時間為168h時，拉伸強(qiáng)度下降比較明顯;當(dāng)炭黑用量為40份時，硫化膠綜合力學(xué)性能比較優(yōu)異。
2.2 炭黑種類對AEM 性能的影響
2.2.1 炭黑種類對AEM 力學(xué)性能的影響
不同種類的炭黑對AEM 的補(bǔ)強(qiáng)效果不同。本實(shí)驗只改變炭黑種類，用量都為40份，研究不同牌號的炭黑對AEM 硫化膠力學(xué)性能的影響，結(jié)果見圖3和圖4。
由圖3和圖4可看出，炭黑N330的膠料拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均最高，分別為20.5MPa和42.7kN/m。由此可以看出炭黑的粒徑、結(jié)構(gòu)度和表面活性等對硫化膠力學(xué)性能有一定的影響。
表3給出了炭黑種類對AEM 硫化膠其他力學(xué)性能的影響。從表3可看出，炭黑N550的膠料具有最高定伸應(yīng)力，其壓縮永久變形性能較好，但隨著炭黑粒徑的繼續(xù)增大，定伸應(yīng)力明顯降低;炭黑N660的膠料力學(xué)性能比較均衡，壓縮永久變形保持在30%以下;炭黑N774的膠料壓縮永久變形達(dá)到了33.3%。
為進(jìn)一步說明炭黑種類對AEM 硫化膠力學(xué)性能的影響，使用掃描電子顯微鏡觀察了炭黑在硫化膠中的分散形態(tài);當(dāng)炭黑用量為40份時，硫化膠綜合力學(xué)性能最佳;炭黑分散情況見圖5。
由圖5可看出，炭黑N330在其硫化膠中團(tuán)聚程度比較大，因此在配方設(shè)計以及膠料混煉過程中注意改善炭黑的分散均勻性，以獲得力學(xué)性能良好的硫化膠。炭黑N550在AEM 硫化膠中的分散比較均勻，其硫化膠力學(xué)性能比較優(yōu)異;炭黑N550是AEM 的常用補(bǔ)強(qiáng)填料。
2.2.2 炭黑種類對AEM 老化性能的影響
表4為炭黑種類對AEM 老化性能的影響。
由表4可看出，隨著老化時間的延長，拉伸強(qiáng)度先上升后下降，拉斷伸長率一直下降，但老化前后的綜合力學(xué)性能變化不大。同時，粒徑較小的炭黑填充的膠料耐老化性能優(yōu)異，炭黑粒徑增大，耐老化性能有一定程度的降低。
2.3 白炭黑用量對AEM 性能的影響
2.3.1 白炭黑用量對AEM 力學(xué)性能的影響
在AEM 補(bǔ)強(qiáng)體系中，白炭黑所處的位置僅次于炭黑。白炭黑的主要成分是二氧化硅，是一種無機(jī)填料，與橡膠的界面作用較弱;加入偶聯(lián)劑可增強(qiáng)白炭黑與橡膠的相互作用，提高補(bǔ)強(qiáng)效果。本實(shí)驗采用Si69作偶聯(lián)劑，保持基本配方不變，其中每個試樣中都加入20份炭黑，以白炭黑為變量，分別為10，15，20，25和30份，研究白炭黑對硫化膠力學(xué)性能的影響，結(jié)果見圖6和圖7。
由圖6和圖7可看出，隨著白炭黑用量的增加，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率都先增大后減小，撕裂強(qiáng)度先減小后增大。當(dāng)白炭黑用量為20份時，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，為20.5MPa;白炭黑用量為25份時，拉斷伸長率最大，其值為557%;硬度隨白炭黑用量的增加而增大。
表5給出了白炭黑用量對AEM 硫化膠其他力學(xué)性能的影響。從表5可看出，隨著白炭黑用量的增加，定伸應(yīng)力呈增大趨勢;加入白炭黑后拉斷永久變形和壓縮永久變形都變大，其中壓縮永久變形值都超過了30%。
2.3.2 白炭黑用量對老化性能的影響
本實(shí)驗分別在150℃×72h和150℃×168h條件下測試了白炭黑不同用量的硫化膠老化性能，并研究了白炭黑用量對AEM硫化膠力學(xué)性能的影響。
從表6可看出，150℃×72h老化后拉伸強(qiáng)度及定伸應(yīng)力都有所增加，而硬度和拉斷永久變形的變化不是很大;說明在此條件下白炭黑填充的硫化膠具有較優(yōu)異的耐老化性。但在150℃×168h老化條件下硫化膠力學(xué)性能下降較明顯。
3·結(jié)論
(1)炭黑用量對AEM 硫化膠力學(xué)性能的影響比較明顯;當(dāng)炭黑(N660)用量為40份時，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均達(dá)到最佳值，分別為19.2MPa和55.3kN/m;隨著炭黑用量的增加，兩者都有一定程度地下降。在150℃×72h老化條件下拉伸強(qiáng)度有一定幅度地升高，但在150℃×168h老化條件下拉伸強(qiáng)度下降幅度比較顯著。
(2)使用炭黑N330，N550，N660和N774補(bǔ)強(qiáng)AEM 橡膠時，N330補(bǔ)強(qiáng)的硫化膠拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均最高，分別為20.5MPa和42.7kN/m，N550的具有最高定伸應(yīng)力和較好壓縮永久變形，N660的力學(xué)性能較均衡，而N774的補(bǔ)強(qiáng)效果較差，永久變形最大;粒徑較小的炭黑補(bǔ)強(qiáng)的硫化膠具有較優(yōu)異的耐老化性能。
(3)白炭黑對AEM 的補(bǔ)強(qiáng)效果較好。當(dāng)白炭黑用量為20份時，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，其值為20.5MPa;白炭黑用量為25份時，拉斷伸長率最大，其值為557%;加入白炭黑后拉斷永久變形和壓縮永久變形都變大，而且壓縮永久變形值都超過了30%;白炭黑用量為28份左右時，撕裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，其值為53.7kN/m;白炭黑用量對AEM 硫化膠耐老化性能的影響較小。
參考文獻(xiàn)：
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