以順丁橡膠和丁苯橡膠為主體材料的密封膠條配方研究

王 慶， 張秀斌， 李洪偉

(沈陽化工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110142)

近十年來，在金屬與金屬、玻璃與金屬、玻璃與塑料、混凝土與金屬、混凝土與混凝土密封上，密封膠條日益顯示其重要性.由于在市場經濟條件下，如何選擇適當的原料和生產工藝生產密封膠條更為重要［1］.本文采用順丁橡膠和丁苯橡膠并用進行密封膠條配方研究.順丁橡膠的特點是耐老化、耐寒、分子鏈柔性好［2］，但順丁橡膠的拉伸強度和撕裂強度低;而丁苯橡膠具有很好的力學性能又具有耐龜裂和耐介質性能，可很好地改善順丁橡膠缺陷.本文摸索相匹配的硫化體系，通過擠出工藝經微波硫化機連續硫化［3－4］，研究制品成型工藝，解決產品生產過程中熱出口膨脹問題［5］，制備拉伸強度與撕裂強度較高、硬度低、產品表面光澤度好、在高溫條件下具有良好耐候性能的密封膠條.

1 實驗

1.1 原料及藥品

順丁橡膠(BR9000吉林石工);丁苯橡膠(SBR1605中順化工);再生三元乙丙橡膠(盤錦黑馬橡膠公司);快壓出爐碳黑(N550三西三強集團);其它助劑:氧化鋅、硬脂酸、氧化鈣(CaO)、沉淀法輕質碳酸鈣、聚乙二醇、硫黃、促進劑CZ、促進劑TMTD、促進劑BZ、促進劑M、促進劑PZ、防老劑4010N、防老劑RD、石蠟均為常用市售橡膠工業助劑.

1.2 實驗儀器

XK-160型開放式煉膠機、XL-QD型平板硫化機、WKX-10B型微波硫化機，青島環球機械股份有限公司;GT-M2000-A型橡膠硫化測定儀，高鐵檢測儀器有限公司;2N-P型紫外老化箱，金壇市金鷹環境實驗設備有限公司.

1.3 實驗流程

實驗流程如圖1所示.

圖1 實驗流程Fig.1 Test flowchart

1.4 性能測試

拉伸性能:按照 GB 528-1998選用RG L-30A型微機控制電子萬能試驗機測試拉伸強度和斷裂伸長率;按照GB3512-2001標準執行熱氧老化;按照GB 527-1998測試邵爾A硬度.

2 結果與討論

2.1 丁苯橡膠和順丁橡膠份數對密封膠條力學性能的影響

丁苯橡膠取代順丁橡膠對力學性能的影響見圖2.

圖2 丁苯橡膠和順丁橡膠份數對抗拉強度的影響Fig.2 Effect of tensile strength on property of SBR/BR shares

由圖2可見隨丁苯橡膠的比例增大，橡膠整體的抗拉強度增加.當丁苯橡膠和順丁橡膠各30份時，抗拉強度達到最大值(6.25 MPa).丁苯橡膠的力學性能要好于順丁橡膠，但丁苯橡膠的大分子柔順性低于順丁橡膠，并且其內聚能密度高于順丁橡膠，這樣導致制作密封膠條擠出時熱出口膨脹增大，擠出時密封膠條容易形變.當丁苯橡膠和順丁橡膠各30份時，抗拉強度達到最大，解決了熱出口膨脹問題，同時又有很好的力學性能.但丁苯橡膠的抗老化性能低于順丁橡膠，由圖3可見丁苯橡膠取代順丁橡膠對斷裂伸長率的影響.丁苯橡膠屬于非結晶橡膠，所以屬于非自補強的橡膠;而順丁橡膠在拉伸狀態或降低溫度是可以結晶的，它的自補強性不高，也需要補強.但順丁橡膠的力學性能沒有丁苯橡膠好.隨著丁苯橡膠比例增加，紫外老化72 h后力學性能損失率增大，順丁橡膠耐老化性能優于丁苯橡膠，老化以交聯為主，老化后期變硬.由圖3可見:當丁苯橡膠為35份，順丁橡膠為25份時，斷裂伸長率為最大值(539%)，但從整體力學性能和耐老化性能考慮，最終選用順丁橡膠和丁苯橡膠各30份為最佳值.紫外老化72 h后，平均抗拉強度和斷裂伸長率損失率分別為22.86%和39.14%.

圖3 丁苯橡膠和順丁橡膠份數對斷裂伸長率的影響Fig.3 Effect of elongation at break on property of SBR/BR shares

2.2 三元乙丙再生膠用量對密封膠條力學性能的影響

由圖4可見，隨著再生膠用量的增加，膠料的ML和MH減小，t90延長.密封膠條的抗拉強度呈下降趨勢，而密封膠條的斷裂伸長率會隨之增加.再生膠用量63份時，抗拉強度為6.25 MPa，斷裂伸長率最高為549%，達到了國家標準要求.再生膠是通過對廢舊輪胎進行粉碎，高溫擠出制得的.在再生過程中，橡膠分子鏈斷裂重組，對橡膠力學性能會產生一定影響.在生產密封膠條過程中再生膠起到了增塑劑的作用.增塑劑的主要作用是削弱聚合物分子之間的次價健，即范德華力，從而增加了聚合物分子鏈的移動性，降低了聚合物分子鏈的結晶性，即增加了聚合物的塑性，表現為聚合物的硬度、模量、軟化溫度和脆化溫度下降，而伸長率、曲撓性和柔韌性提高.增塑劑可改善膠料加工工藝性能，提高配合劑在膠料中的分散性，改善膠料流動性.在生產過程中可增加密封膠條的可塑性，很大幅度地提高了加工性能，減少了熱出口膨脹問題，也大大降低成本.在工業化連續生產中，為方便工業化生產和達到更好的綜合力學性能，最終選用再生膠用量為50份.

圖4 再生膠用量對抗拉強度和斷裂伸長率的影響Fig.4 Effect of tensile strength and elongation at break on properties of recycled rubber consumption

2.3 液蠟用量對密封膠條力學性能的影響

液蠟用量在老化前后對密封膠條力學性能的影響如圖5、圖6所示.

圖5 液蠟用量在老化前后對抗拉強度的影響Fig.5 Aging effect before and after aging on tensile strength by liquid wax consumption

圖6 液蠟用量在老化前后對斷裂伸長率的影響Fig.6 Aging effect before and after aging on elongation at break by liquid wax consumption

液蠟是由碳和氫構成不同分烷烴組成，所以和橡膠的相容性好，是極有效的活化增塑劑，可以改善膠料的加工性能.液蠟可以溶解硫磺，可以防止膠料噴霜.此外，因液蠟含有少量酚類物質，所以，少量的液蠟有一定的防老作用，但有延遲硫化的缺點.液蠟可以有效地提高加工性能，改善密封膠條的流變性能和熱出口膨脹.由圖5和圖6可見:液蠟用量與抗拉強度成反比，與斷裂伸長率成正比.當液蠟用量為30份時，抗拉強度為6.25 MPa，斷裂伸長率為549%.隨著液蠟用量增加，抗老化性能下降，紫外老化72 h后，膠料變硬，并有少量液蠟析出，抗拉強度和斷裂伸長率損失率分別為19.24%和38.93%，因此，配方選用液蠟30份.圖7是液蠟用量20份和30份時密封膠條拉伸斷面的SEM微觀圖.在液蠟30份時拉伸斷面的填充和補強體系分布更加均勻，密封膠條具有更好的力學性能和表面光澤度，并且很好地解決了密封膠條擠出時的流動性和熱出口膨脹問題.

圖7 在液蠟30份和20份時密封膠條拉伸斷面的SEM微觀圖Fig.7 Tensile facture-surface of sealing strip SEM micograph in the liquid 30 and 20

2.4 炭黑用量對密封膠條力學性能的影響

炭黑取代碳酸鈣的用量對密封膠條力學性能的影響如圖8所示.炭黑對擠出工藝的影響主要是對膠料擠出斷裂膨脹率、擠出速度和擠出外觀的影響.影響擠出性能的主要因素是炭黑的結構和用量，炭黑的粒徑和表面積對擠出性能影響不大.一般來說，炭黑的結構越高，混煉膠的擠出工藝性能越好，出口膨脹率越小.炭黑用量對密封膠條的影響是:用量多，膨脹率小，擠出速度增加.由圖8可以看出:隨著炭黑用量的增加，橡膠的抗拉強度隨之升高，斷裂伸長率隨之降低.炭黑用量為50份，碳酸鈣80份時，抗拉強度為6.25 MPa，斷裂伸長率為549%.炭黑在密封膠條配方中起補強作用，適當增加炭黑用量，可提高密封膠條的力學性能.為使密封膠條成本達到最低，用炭黑取代碳酸鈣.當炭黑用量為100份時，抗拉強度最高為7.38 MPa，斷裂伸長率為342%，也高出了國家標準.但考慮成本，最終選擇了炭黑50份，碳酸鈣80份.

圖8 炭黑取代碳酸鈣用量對抗拉強度和斷裂伸長率的影響Fig.8 Effect of tensile strength and elongation at break on properties of carbon black to replace calcium carbonate

2.5 炭黑用量對密封膠條硬度的影響

圖9為炭黑的份數對硬度的影響.

圖9 炭黑取代碳酸鈣用量對硬度的影響Fig.9 Effect of hardness on property of carbon black to replace calcium carbonate

硬度是抵抗外力不變形的能力.由圖9可見硬度隨著炭黑份數的增加而增加.但硬度太大會影響密封膠條在實際應用中的使用性能，增加安裝難度.

2.6 硫磺用量對力學性能的影響

硫磺的用量對密封膠條力學性能的影響如圖10所示.隨著橡膠工業的自動化、聯動化，高溫快速硫化體系被廣泛采用，例如微波硫化.由圖10可以看出:在其膠料一樣的情況下，隨硫磺含量的增加，膠料的抗拉強度是先增大后減少，斷裂伸長率下降，硫磺用量過大時會降低硫化效率，多硫交聯鍵含量的增加，降低了密封膠條的加工性能和物理機械性能，例如擠出產品出口型變和抗老化性能.最終選定硫磺用量為1.5份.

圖10 硫磺用量對密封膠條力學性能的影響Fig.10 Effect of tensile strength and elongation at break on properties of sulfur consunption

3 結論

(1)順丁橡膠大分子柔順性好，具有良好的模內流動性能，減小在擠出時出口膨脹問題.同時具有良好的耐磨性能、耐屈撓性能、填充性能.但是拉伸強度與撕裂強度低，通過與丁苯橡膠并用很好地彌補了這一點的不足.

(2)將再生膠應用到密封膠條配方中，隨著再生膠用量的增大，膠料的ML和MH減小，t90延長.密封膠條的抗拉強度呈下降趨勢，而密封膠條的斷裂伸長率會隨之增加，再生膠在密封膠條配方中可以起到增塑劑作用.可以有效減少熱出口膨脹問題.

(3)將液蠟應用在密封膠條配方中，隨著液蠟的增加抗拉強度減小，斷裂伸長率增大，液蠟用量越大耐老化性能越差.液蠟可有效地提高加工性能，提高產品的表面光澤度，同時也有利于減少出口膨脹問題.

(4)最佳配方為:苯膠30份，順丁膠30份，再生膠50份，液蠟30份，炭黑50份，碳酸鈣80份，硫磺1.5份，氧化鈣18份，氧化鋅2份，促進劑3.6份，聚乙二醇1份，硬脂酸1份，防老劑1份.在密封膠條配方中使用再生膠用量可以因需要不同進行調整，從而降低原材料成本.(注:氧化鈣18份、氧化鋅2份、促進劑3.6份、聚乙二醇1份、硬脂酸1份、防老劑1份為經驗值).

［1］ 謝忠麟.共混型熱塑料彈性體的新進展［J］.現代化工，1987，7(4):16－21.

［2］ 董誠春.廢橡膠自愿合理利用［M］.北京:化學工業出版社，2003:11－13.

［3］ 馬琳，趙崇州，王嵐.乙丙橡膠和NBR的并用研究［J］.特種橡膠制品，2004，25(2):5－8.

［4］ 羅鵬.廢橡膠微波再生法的實驗研究［J］.橡膠工業，1996，43(12):733.

［5］ 董誠春.廢EPDM密封條低溫塑化法生產再生橡膠［J］.中國橡膠，2005，14(5):20－25.