本文分享一篇丁腈橡膠耐寒耐油性能的研究的文章，研究了生膠、硫化體系、硫化劑用量、補(bǔ)強(qiáng)劑、增塑劑、配方等因素對(duì)丁腈橡膠性能的影響。

    隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)由渦輪結(jié)構(gòu)向渦扇結(jié)構(gòu)發(fā)展,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用橡膠材料的耐溫度要求隨之提高,這使氟橡膠、氟硅橡膠等耐溫度又耐油的特種橡膠成了選擇目標(biāo)。在燃油、液壓油密封系統(tǒng)中,由于燃油、液壓油粘度較低,氟橡膠的低溫性能較差,低溫時(shí)易發(fā)生滲漏,而氟硅橡膠承壓不足,因此耐油且價(jià)格又相對(duì)低廉的丁腈橡膠得到大量使用。丁腈橡膠的耐油性和耐低溫性能常常是矛盾的,傳統(tǒng)的丁腈橡膠在燃油系統(tǒng)使用時(shí),就有耐油性能不足的缺點(diǎn)。

    為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展需要,研制了一種具有一定耐油性和良好低溫性能的丁腈橡膠膠料。其主要性能為,硬度均為70～80度(邵爾A),其中1#膠料壓縮耐寒系數(shù)(-50℃)≥0.3,耐15#液壓油150℃×24h體積變化率為0～30%;2#膠料壓縮耐寒系數(shù)(-40℃)≥0.2,耐3#煤油150℃×24h體積變化率為0～10%。以上兩種膠料在配合劑使用上基本類同,不同點(diǎn)主要在生膠選用上。在研制過程中,主要選用了N240S作為基膠,研究了硫化劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、增塑劑等配合劑對(duì)膠料耐寒、耐3#煤油和15#液壓油性能的影響,確定了1#和2#膠料的配方組成。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

丁腈橡膠,牌號(hào)分別為:DN401,N41,NBR1704,NBR2707,均為蘭化公司產(chǎn)品;N240S,N230S,均為日本JSR公司產(chǎn)品,其他助劑均為市

售工業(yè)產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)制備

按配比稱取各組分,在XK-250開煉機(jī)上混煉,操作順序?yàn)?生膠包輥→少量炭黑→活性劑、防老劑→炭黑→增塑劑→硫化劑→薄通→出片→停放24h后返煉。

在45t平板硫化機(jī)上硫化,溫度(151±2)℃×40min,壓力10～12MPa。1.3 性能測(cè)試

硫化膠的各項(xiàng)物理性能均按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化體系對(duì)膠料性能的影響

丁腈橡膠常用的硫化體系有硫黃硫化體系、半有效硫化體系和過氧化物硫化體系。硫化體系對(duì)膠料性能的影響見表1。

從表1可知,S/DM為常規(guī)硫黃硫化體系,交聯(lián)鍵為多硫鍵,硫化膠耐壓縮永久變形性能較差,熱老化后的拉斷伸長(zhǎng)率、硬度變化大。S/TMTD/CZ為半有效硫化體系,形成單硫鍵和多硫鍵,硫化膠耐熱性、耐壓縮永久變形性能較好,但拉伸強(qiáng)度較低。過氧化物硫化體系,形成碳-碳單鍵,耐熱和耐壓縮永久變形性能好,在3#煤油、15#液壓油中的體積變化率最小,但拉斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度較低。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),采用過氧化物硫化體系,硫化膠有較好的耐寒性。因此從材料耐寒和耐壓縮永久變形性能考慮,選用了過氧化物作為硫化劑,對(duì)比了過氧化物硫化劑用量對(duì)膠料性能的影響,結(jié)果見表2。

從表2可知,隨著硫化劑用量的增大,硬度、拉伸強(qiáng)度增大,耐介質(zhì)體積變化率減小,但拉斷伸長(zhǎng)率、壓縮耐寒系數(shù)和膠料回彈性降低,這是因?yàn)槟z料硫化程度增加,交聯(lián)密度加大所致。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)劑對(duì)膠料性能的影響

由于密封制品需兼顧耐寒耐油性,選用了粒子較粗的炭黑作補(bǔ)強(qiáng)劑。試驗(yàn)選用了快壓出炭黑(N550)、天然氣半補(bǔ)強(qiáng)爐法炭黑(SRF)、噴霧炭黑和熱裂解炭黑N990進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表3。

  從表3可知,炭黑的補(bǔ)強(qiáng)效果依次為N550,噴霧炭黑,SRF,N990。不同類型炭黑填充的膠料低溫性能相近。填充噴霧炭黑的膠料,熱空氣老化性能、耐介質(zhì)體積變化率、壓縮永久變形性能略優(yōu)。對(duì)比了噴霧炭黑用量對(duì)膠料性能的影響,結(jié)果見表4。

從表4可知,隨著炭黑用量的增加,膠料的硬度、強(qiáng)度基本成上升趨勢(shì),在介質(zhì)中的體積變化率增大,壓縮永久變形和拉斷伸長(zhǎng)率變化不大,但壓縮耐寒系數(shù)降低。

2.3 增塑劑對(duì)膠料性能的影響

丁腈橡膠主要使用酯類增塑劑,用于改善膠料加工性能,提高耐寒性和彈性。在上述兩組丁腈橡膠中,為滿足膠料的耐寒性能要求,選用了鄰苯二甲酸二丁酯(DBP),癸二酸二辛酯(DOS),己二酸二(丁氧基乙氧基乙)酯(TP-95),醚酯混合型增塑劑TP-759作為增塑劑,對(duì)比了它們對(duì)膠料性能的影響,結(jié)果見表5。

從表5可知,添加以上增塑劑的膠料,物理機(jī)械性能相近,增塑劑類別對(duì)膠料耐3#煤油老化后的拉斷伸長(zhǎng)率變化率影響不大。添加TP-95的膠料,耐寒性最好;添加DOS的膠料,耐介質(zhì)體積變化率最小;添加DBP的膠料,介質(zhì)中壓縮永久變形性能略優(yōu),但體積變化率最大,熱空氣老化后,拉斷伸長(zhǎng)率下降較多,耐寒性能較差。改變DOS用量對(duì)膠料性能的影響見表6。

從表6可知,隨增塑劑用量的增加,膠料的拉伸強(qiáng)度、硬度、撕裂強(qiáng)度下降,拉斷伸長(zhǎng)率、耐寒性能提高。耐燃油體積變化率降低,壓縮永久變形增大。

2.4 生膠對(duì)膠料性能的影響

丙烯腈含量是丁腈橡膠性能的重要指標(biāo),丙烯腈含量低的丁腈橡膠,耐寒性、耐壓縮永久變形性能較好。但隨著丙烯腈含量的降低,膠料的耐介質(zhì)和耐熱性也會(huì)下降。為選擇合適的生膠,對(duì)不同類型丁腈橡膠的耐寒和耐介質(zhì)性能進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果見表7。

   從表7可知,隨著丙烯腈含量的增高,膠料的耐寒性降低,在燃油、液壓油中的壓縮永久變形增大,但體積變化率減小。不同丙烯腈含量的丁腈橡膠在介質(zhì)中體積變化率,3#煤油中大于15#液壓油中;而壓縮永久變形,3#煤油中低于15#液壓油中。同時(shí)生膠類型對(duì)膠料耐3#煤油的拉斷伸長(zhǎng)率變化率影響不大。

     1#丁腈橡膠膠料壓縮耐寒系數(shù)(-50℃)要求≤0.3。從試驗(yàn)結(jié)果可見,生膠需選用ACN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17～0.2的DN401或NBR1704。由于NBR1704拉斷伸長(zhǎng)率較低,混煉工藝復(fù)雜,因此選用了DN401,同時(shí)并用丙烯腈含量略高的丁腈橡膠,以提高膠料的耐熱老化性2#丁腈橡膠膠料耐3#煤油體積變化率要求為0～10%。從試驗(yàn)結(jié)果可見,生膠ACN質(zhì)量分?jǐn)?shù)需≥0.26。NBR2707丁腈橡膠為硬丁腈橡膠,門尼粘度較高,在3#煤油中的壓縮永久變形較大,因此2#丁腈橡膠生膠選用了門尼粘度低的軟丁腈橡膠N240S,同時(shí)并用丙烯腈含量略高的丁腈橡膠,以提高膠料的耐介質(zhì)性。

2.5 配方的優(yōu)化確定

確定膠料的生膠組成、補(bǔ)強(qiáng)體系、硫化體系、增塑體系后,表8是1#和2#膠料的性能結(jié)果。

從表8可以看出,1#膠料滿足壓縮耐寒系數(shù)(-50℃)≥0.3,耐15#液壓油150℃×24h體積變化率為0～30%的要求;2#膠料滿足壓縮耐寒系數(shù)(-40℃)≥0.2,耐3#煤油150℃×24h體積變化率為0～10%的要求。通過放大試驗(yàn),膠料各項(xiàng)指標(biāo)仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。1#膠料適合在航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓系統(tǒng)中使用,2#膠料適合在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中使用。

3 結(jié) 語

通過生膠并用,采用過氧化物作硫化劑,使用酯類增塑劑,可研制出適合在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、液壓油系統(tǒng)中使用的丁腈橡膠硫化膠。