80度密封制品配方設(shè)計的方法研究

胡磊，王東(南京金三力橡塑有限公司，江蘇 南京 210000)

80度密封制品配方設(shè)計的方法研究

Study on formula design of 80 degree seal products

胡磊，王東(南京金三力橡塑有限公司，江蘇 南京 210000)

為了研發(fā)80度密封制品橡塑并用的配方，文章對聚氯乙烯（PVC）和丁腈橡膠（NBR）按不同比例并用共混，并進(jìn)行了物理機(jī)械性能、耐老化和耐油性能等的對比研究，通過本次試驗表明PVC的加入使得NBR硬度增大，強(qiáng)度提高，但是拉伸和撕裂性能降低，硫化時間延長，硫化速度減慢，耐老化和耐介質(zhì)性能都受到影響。經(jīng)過幾輪試驗，配方和工藝的不斷改進(jìn)，達(dá)到了所指定的硬度和物理機(jī)械性能。

橡膠密封制品；丁腈橡膠性能；硬度

橡膠密封制品是整個密封制品和密封配件的一個重要組成部分，由于它具有獨(dú)特的適應(yīng)性能，結(jié)構(gòu)簡單，便于生產(chǎn)加工成本低，具有密封效果好等特點(diǎn)，被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技、航空航天技術(shù)各個領(lǐng)域和部分。近年來，隨著宇航技術(shù)、電子技術(shù)、自動化技術(shù)、液壓傳動技術(shù)等方面的迅速發(fā)展，大大促進(jìn)了橡膠密封制品的生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展，并提出了越來越高的要求。

在具體選取密封材料時,首先要考慮與工作介質(zhì)的相容性。還須綜合考慮其密封處的壓力、溫度、連續(xù)工作時間、運(yùn)行周期等工作條件。不同的密封件材料,其物理性能和化學(xué)性能都不一樣，密封材料硬度是評定密封性能最重要的指標(biāo)。

1 方案論證

1.1 橡膠配方設(shè)計原則

橡膠配方設(shè)計的目的在于使產(chǎn)品達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，因此配方設(shè)計人員的任務(wù)主要是尋找各種配合劑的最佳配比組合，使橡膠制品的性能、成本和工藝可行性三方面取得最佳的綜合平衡。為了達(dá)到這些目標(biāo)，配方設(shè)計者必須將有機(jī)化學(xué)、橡膠物理化學(xué)、高分子物理、橡膠工藝原理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計理論等知識結(jié)合起來，自覺地靈活運(yùn)用，用最少的工作量通過科學(xué)的橡膠配方設(shè)計方法掌握原材料配合的內(nèi)在規(guī)律，設(shè)計出使用配方。

1.2 配方設(shè)計的程序

在進(jìn)行具體的配方設(shè)計之前按常規(guī)應(yīng)該充分了解所需要解決的問題是什么，是提高膠料的性能還是降低產(chǎn)品的成本，還必須弄清所用原材料品種、質(zhì)量、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備、實驗測試儀器等基本情況，然后按以下三個程序進(jìn)行配方設(shè)計。

1.2.1 基礎(chǔ)配方(基本配方)

基礎(chǔ)配方是配方設(shè)計的基礎(chǔ)，再擬定出其它各種配方，此作為配方設(shè)計的程序首先應(yīng)從基礎(chǔ)配方著手。基礎(chǔ)配方是以原材料的實驗鑒定為目的，通過基礎(chǔ)配方可以找出原材料物性指標(biāo)的影響規(guī)律，確定哪個原材料是起主要作用的，哪些原材料除了各自的單獨(dú)作用外，它們之間還產(chǎn)生協(xié)同和加和作用，這種綜合效果有多大對膠料的某些性能而言是綜合效果為主，還是因子的單獨(dú)作用為主等等。

1.2.2 性能配方（技術(shù)配方）

為達(dá)到某種性能要求而進(jìn)行的配方設(shè)計，其目的是為了滿足產(chǎn)品的性能要求和工藝要求，提高某方面的特點(diǎn)等。性能配方應(yīng)全面考慮配方各物理性能的搭配以滿足某制品使用條件的要求。

1.2.3 實用配方（生產(chǎn)配方）

實用配方是在前面兩種配方試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際生產(chǎn)條件所作的實用投產(chǎn)配方。實用配方要全面考慮工藝性能、體積成本、設(shè)備條件等因素，最后選出的實用配方應(yīng)能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)條件，應(yīng)使產(chǎn)品的性能、成本、長期連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)工藝達(dá)到最佳的平衡。

2 實驗部分

2.1 選用原材料的原理

2.1.1 生膠體系

一般根據(jù)O形圈的工作性介質(zhì)和工作溫度來選擇適用的膠種，工作介質(zhì)為燃油液壓油、潤滑油等油類、工作溫度在150℃以下時選用丁腈橡膠。

丁腈橡膠是由丁二烯（CH2==CH—CH==CH2）和丙烯腈（CH2==CH—CN）經(jīng)乳液共聚而成的聚合物，其平均分子量為700 000左右。在25～50℃下聚合的橡膠稱為熱丁腈橡膠。在5～10℃下聚合的橡膠為冷丁腈橡膠。冷丁腈橡膠的分子鏈?zhǔn)且?guī)則的線型結(jié)構(gòu)，其物理機(jī)械性能和工藝性能較好，膠片光滑，壓延壓出的半成品收縮率較小。丁腈橡膠以其優(yōu)異的耐油性而著稱。在現(xiàn)有的橡膠中其耐油性僅次于聚硫橡膠、丙烯酸酯橡膠和氟橡膠，因而在橡膠工業(yè)中應(yīng)用很廣泛。

2.1.1.1 丁腈橡膠（NBR）的結(jié)構(gòu)與性能

丁腈橡膠是一種無規(guī)共聚物,屬于非結(jié)晶性橡膠,其化學(xué)結(jié)構(gòu)式表示如下：

丁腈橡膠中有極性的側(cè)基（—CN）這種腈基數(shù)量越多橡膠分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻的程度也就越大，因而大分子鏈的柔性也就越差，玻璃化溫度越高，這就決定了橡膠的耐寒性溫度僅在-10～-20℃之間，正是由于丁腈橡膠具有較強(qiáng)的極性，才能抗耐油和非極性溶劑的侵蝕，耐熱性能比天然橡膠、丁苯橡膠好。適當(dāng)?shù)呐浜隙‰嫦鹉z可以在120℃以下連續(xù)使用，能耐150℃的熱油，在191℃的油中浸泡70 h后仍有屈撓性能。此外，丁腈橡膠還具有良好的耐磨性、耐老化性和氣密性（僅次于氯丁橡膠）但耐臭氧性、電絕緣性能和耐寒性都比較差，耐導(dǎo)電性卻比較好。

2.1.1.2 聚氯乙烯的基本特性及用途

聚氯乙烯（PVC）是最早工業(yè)化的塑料品種之一，由氯乙烯聚合而成，外觀為白色無定形粉末，相對密度為1.35～1.46（20℃），不溶于水，酒精和汽油在醚、酮、氯化脂肪烴和芳香烴中能溶解，PVC耐酸堿性、阻燃性、介電性均較好，在80～85℃開始變軟，130℃以上呈可塑性，180℃開始流動，受熱易分解放出氯化氫。

PVC加工中常需加入各種輔助材料，諸如增塑劑、穩(wěn)定劑、填充劑、潤滑劑等。

2.1.1.3 并用膠的特性

由于PVC與NBR的溶解度參數(shù)非常接近，所以它們之間的相溶性很好，并用膠有優(yōu)異的性能，NBR 與PVC并用較NBR有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 耐臭氧、耐候性顯著提高；

② 耐油、耐溶劑性好；

③ 耐磨性、耐撕裂性強(qiáng)度增大；

④ 拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、阻燃性、耐熱性均勻性得到改善；

⑤ 耐屈撓龜裂性能較好；

⑥ 壓出性能得到改善，膠料不易焦燒；

⑦ 可任意著色，能制成艷色制品。

并用膠的缺點(diǎn)是：

① 門尼黏度增大，可塑性降低；

② 低溫屈撓性和彈性變差；

③ 壓縮變形增大。

2.1.2 硫化體系

NBR與PVC并用的硫化體系選用硫黃和促進(jìn)劑M、促進(jìn)劑DM的組合較好，盡量避免使用促進(jìn)劑D，因為該類促進(jìn)劑能促進(jìn)PVC熱分解，此外為了使NBR與PVC產(chǎn)生交聯(lián)還可選用2，4-二硫基-6-二丁基胺三嗪與促進(jìn)劑DM、氧化鎂、氧化鋅并用體系。

2.1.3 軟化增塑體系

在NBR為基礎(chǔ)的密封制品中，最常用的增塑劑是癸二酸二丁脂、苯二甲酸二丁脂、苯二甲酸二辛脂等酯類增塑劑。

因為PVC在熱的情況下易發(fā)生熱分解，所以配方中必須加入熱穩(wěn)定劑，最常用的熱穩(wěn)定劑有三鹽基硫酸鉛、硬脂酸鉛、硬脂酸鋇、硬脂酸鎘等。

2.1.4 防老體系

應(yīng)選用不易被破壞工作介質(zhì)抽出的防老劑，如反應(yīng)型防老劑。常用的防老劑有防MB、RD、4010、4010NA和防A、防D等，其用量在一份左右。

2.2 實驗配方

實驗配方詳見表1。

表1 配方表

2.3 儀器與設(shè)備

XK-160開放式煉膠機(jī)；上海化機(jī)四廠制造；

JDL-2500N電子式拉力試驗機(jī)；江都市新真威試驗機(jī)械有限公司；

邵爾氏LX-A型橡膠硬度計；江都市真威試驗機(jī)械有限公司；

QLB-50D/Q平板硫化機(jī)；無錫市第一橡塑機(jī)械有限公司；

GT-M2000F發(fā)泡橡膠轉(zhuǎn)子硫化儀；高鐵科技股份有限公司。

2.4 實驗過程

2.4.1 采用的工藝流程為

切膠→小料稱量→NBR的塑煉→PVC與熱穩(wěn)定劑、增塑劑的共混、預(yù)膨潤→高溫開煉機(jī)上進(jìn)行PVC的塑化→PVC與NBR共混→普通開煉機(jī)上進(jìn)行混煉→冷卻→硫化儀測試→硫化→冷卻、停放→沖片→性能測試→數(shù)據(jù)分析

2.4.2 塑煉

NBR的塑煉與一般的通用橡膠不同，它采用低溫小輥距，低容量薄通法，這樣才能有效地獲得一定的可塑性，它可將增塑劑在塑煉時加入，這樣可縮短塑煉時間同時也可迅速的獲得一定的可塑度。另外，為了獲得穩(wěn)定的可塑度宜采用分段塑煉可根據(jù)實際要求選擇三段塑煉，以保證加工操作和產(chǎn)品性能要求。

2.4.3 預(yù)熱、共混

PVC的預(yù)膨潤 將PVC、鄰苯二甲酸二丁脂、硬脂酸鋅、硬脂酸鋇攪拌均勻后放入老化箱內(nèi)80℃烘半小時后拿出來，在高溫開煉機(jī)150℃左右加入直至塑料塑化成透明帶狀且包在輥筒上后將塑煉好的NBR加入使它們進(jìn)行共混。

2.4.4 混煉

NBR與PVC共混好后拿到開煉機(jī)上進(jìn)行小料的配合，由于NBR的混煉較困難，各種粉末配合劑特別是硫黃、氧化鋅不易分散，包輥不好，生熱也較大，因此，一般采用低溫混煉，同時注意加料順序和混煉容量。

一般在混煉開始時將粒度細(xì)難分散的硫黃與氧化鋅首先加入，以保證在較長時間中可以分散均勻，有時也采用將NBR、硫黃、硬脂酸制成母煉膠的方式加入。

當(dāng)填料較少時，先加入填料后加軟化劑；當(dāng)填料較多時，則填料和軟化劑可交替加入，不可不分先后的將配合劑一起加入，一般最后加入促進(jìn)劑，然后薄通3～5次，使配合劑分散均勻。

混煉輥溫一般為40～50℃，不得超過60℃，否則會出現(xiàn)粘輥現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)粘輥時可加入少量硬脂酸或停車加入碳酸鈣，對可塑度要求較大的制品可適當(dāng)延長混煉時間。

2.4.5 硫化試片

2.4.5.1 試片的制備

混煉結(jié)束后，下片冷卻至少2 h后用裁片樣板在膠料的壓延方向劃好裁線后用裁刀裁下，用天平稱量稍大于成品的數(shù)量，以免出現(xiàn)缺膠。最后劃好壓延方向，并擺放整齊。

2.4.5.2 試片的硫化

先將模具在規(guī)定的硫化溫度下預(yù)熱三分鐘，硫化時應(yīng)將膠片置于模腔中央，合模后將模具置于熱板中央，然后按測定的硫化時間和硫化壓力進(jìn)行硫化。

2.5 性能測試

2.5.1 硬度的測試

目前世界上普遍采用兩種典型的橡膠硬度計測量硬度；一種是邵爾氏硬度計；另一種是國際橡膠硬度計。邵爾氏硬度計是使用中最普遍的一種，測量值與國際橡膠硬度值很接近。

2.5.2 熱空氣老化

用來衡量橡膠的熱穩(wěn)定性和防老劑的效能等，常用熱空氣老化箱。

2.5.3 壓縮永久變形

選用的是靜壓縮永久變形測試法。

2.5.4 脆性溫度的測試

通過試樣在低溫下沖擊斷裂時的溫度，了解材料的耐低溫性能，儀器為單試樣脆性溫度儀。

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗數(shù)據(jù)

具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 實驗數(shù)據(jù)

3.2 性能指標(biāo)參數(shù)

性能指標(biāo)詳見表3。

3.3 數(shù)據(jù)分析

綜合配方對工藝性能、物理機(jī)械性能、成本的影響，在所做的三組實驗中均符合合格品的性能要求，但是只有1、2號配方符合一等品的性能要求，但又由于成本方面的問題1號配方成本較低，所以最終決定選一號配方為此制品的配方，它不僅滿足性能要求又能降低成本。

表3 性能參數(shù)表

[1] 吳培熙、張留成編著，聚合物改性原理及工藝【M】，北京：輕工業(yè)出版社，1984.

[2] 劉登祥編著，橡膠及橡膠制品【M】，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

[3] 聶恒凱主編，橡膠材料與配方【M】，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4] 鄒一明、張巖梅主編，橡膠制品工藝【M】，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

(R-03)

TQ323.5

1009-797X(2016)16-0083-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.023

胡磊（1987-），本科，主要研究方向為螺桿鉆采定子及耐油橡膠制品。

2016-07-13