丁腈橡胶耐寒耐油性能的研究

通过对生胶、硫化剂、补强剂、增塑剂以及硫化条件的选择,成功地制备了两种具有一定耐油性能,兼良好低温性能的丁腈橡胶混炼胶。

Mon Dec 18 00:00:00 CST 2017 橡胶技术李秀权工作室

随着航空发动机由涡轮结构向涡扇结构发展,对发动机用橡胶材料的耐温度要求随之提高,这使氟橡胶、氟硅橡胶等耐温度又耐油的特种橡胶成了选择目标。在燃油、液压油密封系统中,由于燃油、液压油粘度较低,氟橡胶的低温性能较差,低温时易发生渗漏,而氟硅橡胶承压不足,因此耐油且价格又相对低廉的丁腈橡胶得到大量使用。丁腈橡胶的耐油性和耐低温性能常常是矛盾的,传统的丁腈橡胶在燃油系统使用时,就有耐油性能不足的缺点。

为满足航空发动机发展需要,研制了一种具有一定耐油性和良好低温性能的丁腈橡胶胶料。其主要性能为,硬度均为70～80度(邵尔A),其中1#胶料压缩耐寒系数(-50℃)≥0.3,耐15#

液压油150℃×24h体积变化率为0～30%;2#胶料压缩耐寒系数(-40℃)≥0.2,耐3#煤油150℃×24h体积变化率为0～10%。以上两种胶料在配合剂使用上基本类同,不同点主要在生胶选用上。在研制过程中,主要选用了N240S作为基胶,研究了硫化剂、补强剂、增塑剂等配合剂对胶料耐寒、耐3#煤油和15#液压油性能的影响,确定了1#和2#胶料的配方组成。

1 实验

1.1 主要原材料

丁腈橡胶,牌号分别为:DN401,N41,NBR1704,NBR2707,均为兰化公司产品;N240S,N230S,均为日本JSR公司产品,其他助剂均为市

售工业产品。

1.2 试验制备

按配比称取各组分,在XK-250开炼机上混炼,操作顺序为:生胶包辊→少量炭黑→活性剂、防老剂→炭黑→增塑剂→硫化剂→薄通→出片→停放24h后返炼。

在45t平板硫化机上硫化,温度(151±2)℃×40min,压力10～12MPa。1.3 性能测试

硫化胶的各项物理性能均按相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 硫化体系对胶料性能的影响

丁腈橡胶常用的硫化体系有硫黄硫化体系、半有效硫化体系和过氧化物硫化体系。硫化体系对胶料性能的影响见表1。

从表1可知,S/DM为常规硫黄硫化体系,交联键为多硫键,硫化胶耐压缩永久变形性能较差,热老化后的拉断伸长率、硬度变化大。S/TMTD/CZ为半有效硫化体系,形成单硫键和多硫键,硫化胶耐热性、耐压缩永久变形性能较好,但拉伸强度较低。过氧化物硫化体系,形成碳-碳单键,耐热和耐压缩永久变形性能好,在3#煤油、15#液压油中的体积变化率最小,但拉断伸长率、撕裂强度较低。在实验范围内,采用过氧化物硫化体系,硫化胶有较好的耐寒性。因此从材料耐寒和耐压缩永久变形性能考虑,选用了过氧化物作为硫化剂,对比了过氧化物硫化剂用量对胶料性能的影响,结果见表2。

从表2可知,随着硫化剂用量的增大,硬度、拉伸强度增大,耐介质体积变化率减小,但拉断伸长率、压缩耐寒系数和胶料回弹性降低,这是因为胶料硫化程度增加,交联密度加大所致。

2.2 补强剂对胶料性能的影响

由于密封制品需兼顾耐寒耐油性,选用了粒子较粗的炭黑作补强剂。试验选用了快压出炭黑(N550)、天然气半补强炉法炭黑(SRF)、喷雾炭黑和热裂解炭黑N990进行对比,结果见表3。

从表3可知,炭黑的补强效果依次为N550,喷雾炭黑,SRF,N990。不同类型炭黑填充的胶料低温性能相近。填充喷雾炭黑的胶料,热空气老化性能、耐介质体积变化率、压缩永久变形性能略优。对比了喷雾炭黑用量对胶料性能的影响,结果见表4。

从表4可知,随着炭黑用量的增加,胶料的硬度、强度基本成上升趋势,在介质中的体积变化率增大,压缩永久变形和拉断伸长率变化不大,但压缩耐寒系数降低。

2.3 增塑剂对胶料性能的影响

丁腈橡胶主要使用酯类增塑剂,用于改善胶料加工性能,提高耐寒性和弹性。在上述两组丁腈橡胶中,为满足胶料的耐寒性能要求,选用了邻苯二甲酸二丁酯(DBP),癸二酸二辛酯(DOS),己二酸二(丁氧基乙氧基乙)酯(TP-95),醚酯混合型增塑剂TP-759作为增塑剂,对比了它们对胶料性能的影响,结果见表5。

从表5可知,添加以上增塑剂的胶料,物理机械性能相近,增塑剂类别对胶料耐3#煤油老化后的拉断伸长率变化率影响不大。添加TP-95的胶料,耐寒性最好;添加DOS的胶料,耐介质体积变化率最小;添加DBP的胶料,介质中压缩永久变形性能略优,但体积变化率最大,热空气老化后,拉断伸长率下降较多,耐寒性能较差。改变DOS用量对胶料性能的影响见表6。

从表6可知,随增塑剂用量的增加,胶料的拉伸强度、硬度、撕裂强度下降,拉断伸长率、耐寒性能提高。耐燃油体积变化率降低,压缩永久变形增大。

2.4 生胶对胶料性能的影响

丙烯腈含量是丁腈橡胶性能的重要指标,丙烯腈含量低的丁腈橡胶,耐寒性、耐压缩永久变形性能较好。但随着丙烯腈含量的降低,胶料的耐介质和耐热性也会下降。为选择合适的生胶,对不同类型丁腈橡胶的耐寒和耐介质性能进行了对比,结果见表7。

从表7可知,随着丙烯腈含量的增高,胶料的耐寒性降低,在燃油、液压油中的压缩永久变形增大,但体积变化率减小。不同丙烯腈含量的丁腈橡胶在介质中体积变化率,3#煤油中大于15#液压油中;而压缩永久变形,3#煤油中低于15#液压油中。同时生胶类型对胶料耐3#煤油的拉断伸长率变化率影响不大。

1#丁腈橡胶胶料压缩耐寒系数(-50℃)要求≤0.3。从试验结果可见,生胶需选用ACN质量分数为0.17～0.2的DN401或NBR1704。由于NBR1704拉断伸长率较低,混炼工艺复杂,因此选用了DN401,同时并用丙烯腈含量略高的丁腈橡胶,以提高胶料的耐热老化性2#丁腈橡胶胶料耐3#煤油体积变化率要求为0～10%。从试验结果可见,生胶ACN质量分数需≥0.26。NBR2707丁腈橡胶为硬丁腈橡胶,门尼粘度较高,在3#煤油中的压缩永久变形较大,因此2#丁腈橡胶生胶选用了门尼粘度低的软丁腈橡胶N240S,同时并用丙烯腈含量略高的丁腈橡胶,以提高胶料的耐介质性。

2.5 配方的优化确定

确定胶料的生胶组成、补强体系、硫化体系、增塑体系后,表8是1#和2#胶料的性能结果。

从表8可以看出,1#胶料满足压缩耐寒系数(-50℃)≥0.3,耐15#液压油150℃×24h体积变化率为0～30%的要求;2#胶料满足压缩耐寒系数(-40℃)≥0.2,耐3#煤油150℃×24h体积变化率为0～10%的要求。通过放大试验,胶料各项指标仍满足标准要求。1#胶料适合在航空发动机液压系统中使用,2#胶料适合在航空发动机燃油系统中使用。