木質素填充聚硫密封膠的性能研究

李堅輝，劉彩召， 李奇力， 張 斌， 孫明明， 張緒剛， 王磊，薛 剛， 趙 明

（1.黑龍江省科學院石油化學研究院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學院高新技術研究院，黑龍江 哈爾濱 150020）

木質素填充聚硫密封膠的性能研究

李堅輝1，劉彩召1,2， 李奇力1,2， 張 斌1,2， 孫明明1,2， 張緒剛1,2， 王磊1，薛 剛1， 趙 明1

（1.黑龍江省科學院石油化學研究院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學院高新技術研究院，黑龍江 哈爾濱 150020）

以天然高分子木質素為主要填充劑制備了聚硫密封膠，考查了木質素用量對聚硫密封膠力學性能及粘接性能的影響。結果表明，當木質素用量為100份時，聚硫密封膠的綜合性能相對較好，其拉伸強度、斷裂伸長率和180°剝離強度分別為3.94 MPa、620%和5.6 kN/m。該聚硫密封膠還具有較好的抗老化性能和耐腐蝕性能。

木質素；聚硫；密封膠；粘接性能

木質素作為一種天然高分子化合物，在自然界中的含量僅次于纖維素，來源較為廣泛。一般認為木質素由愈創木基、紫丁香基和對羥苯基這3種基本結構單元組成，分子鏈上含有醇羥基、酚羥基、羧基和甲氧基等多種基團，在進行一定的修飾改性后，可以應用到許多領域[1，2]。近些年來，將木質素作為各種橡膠的填充劑已有了大量研究報道，如木質素填充天然橡膠、丁腈橡膠、丁苯橡膠及丁基橡膠等，木質素不僅能增強橡膠，降低生產成本，同時能賦予橡膠優異的阻燃性能、抗紫外和抗老化性能等[3～5]。

由于木質素的星型超支化結構和傳統橡膠的高分子質量特性，木質素很難在橡膠基體中均勻分散，需要采用特殊的方法。但到目前為止，木質素填充聚硫橡膠還未見相關報道，由于聚硫橡膠為液體橡膠，使得木質素的分散問題也大為簡化，本研究嘗試以木質素為主要填充劑制備聚硫密封膠，并對其力學性能、粘接性能、耐熱性能、抗老化性能和耐腐蝕性能進行分析探討。

1 實驗部分

1.1 原料

液體聚硫橡膠（JLY-121），工業級，錦西化工研究院；環氧樹脂（E-20），工業級，無錫樹脂廠；酚醛樹脂（801），工業級，上海多康實業有限公司；二氧化錳，分析純，濟寧百川化工有限公司；木質素，工業級，山東澤廣石化有限公司；二苯胍，分析純，上海展云化工有限公司；輕質碳酸鈣，工業級，濟南盈鑫化工有限公司；氣相白炭黑（A-380），工業級，沈陽永新化工廠。

LY12CZ型鋁合金，杭州港昌金屬制品有限公司。

1.2 儀器及設備

5969型INSTRON萬能材料試驗機，英斯特朗（上海）試驗設備貿易有限公司；Q50型熱重分析儀，美國TA公司；紫外老化箱，上海一恒儀器有限公司。

1.3 聚硫密封膠的制備

向帶有溫度計的三口瓶中依次加入一定量的JLY-121和E-20，攪拌加熱至80 ℃并保持2 h。冷卻后將801和補強填料一起加入到聚硫預聚體中，使用三輥研磨機將物料混合研磨3次，再加入適量的固化劑和促進劑，混合均勻即得聚硫密封膠。

將聚硫密封膠涂敷在指定的模具中，室溫放置24 h后，再放入70 ℃鼓風干燥箱內繼續固化24 h，即可制得聚硫密封膠性能測試樣。

1.4 性能測試或表征

（1）拉伸強度和斷裂伸長率：按照GB/T 528—1998標準，采用萬能材料試驗機進行測試（測試速率為500 mm/min）。

（2）180°剝離強度：按照GB/2792—1998標準，采用美國Instron 5969力學試驗機進行測試（鋁合金尺寸為2 mm×25 mm×200 mm，表面用丙酮擦拭干凈后在70 ℃烘箱中放置30 min；在試片上均勻涂覆3 mm厚密封膠，小心將1 mm×30 mm×350 mm的帆布放在密封膠上面，輕壓帆布使其與密封膠充分接觸，并在帆布上涂覆約1.6 mm厚的密封膠。固化完全后進行剝離，剝離速率為50 mm/min）。

（3）熱重分析：采用熱重分析（TGA）儀進行表征（N2氛圍，升溫速率為20 K/min，測試范圍為室溫～800 ℃）。

（4）抗老化性能：將制備好的剝離試件和拉伸試件放入紫外老化試驗箱中，試驗溫度為60 ℃，光源波長為340 nm，其強度為0.55 W/m2，每照射17 min后噴水霧3 min，老化時間為30 d。每隔10 d取出試件，在常溫下進行性能測試，與老化前的性能比值記為性能保持率。

（5）耐腐蝕性能：按180°剝離強度測試要求制備試驗件，表面無需放帆布。固化后將試驗件掛入燃油系統試驗瓶中，從下至上分別為3%質量濃度鹽水、RP-3航空煤油和油水混合蒸汽3層，試件在3層液、氣環境中均勻浸漬，之后將瓶口密封經60 ℃/12 d+70℃/60 h+82 ℃/6 h熱處理，試驗件從試驗瓶中撈出后，將表面殘留液體輕輕擦掉，觀察外觀變化。

指標的落實以項目的規劃管理流程為主線，在規劃選址意見書、建設用地規劃許可審批、建設工程規劃許可審批、施工圖審查、規劃監督驗收等階段進行審查落實。

2 結果與討論

2.1 木質素用量對密封膠拉伸性能的影響

傳統的聚硫密封膠一般采用炭黑、白炭黑等進行補強，本實驗室前期經過大量的實驗發現，木質素對聚硫橡膠的補強效果與前2者相當，但木質素加入量要遠遠高于后2者，圖1是木質素加入量對聚硫橡膠拉伸性能的影響。由圖1可知：隨著木質素用量的增加，聚硫密封膠的拉伸強度和斷裂伸長率逐步上升，加入量為100份時，斷裂伸長率達到相對最大值的620%，拉伸強度為3.94 MPa，拉伸強度在木質素添加量為200份內并未出現拐點。

圖1 木質素加入量對拉伸強度及斷裂伸長率的影響Fig.1 Influence of lignin content on tensile strength and elongation at break

2.2 木質素用量對密封膠剝離強度和耐熱性能的影響

聚硫密封膠對鋁合金的粘接測試結果如圖2所示。由圖2可知：木質素加入后，180°剝離強度一直呈上升趨勢。當木質素加入量為100份時，180°剝離強度為5.6 kN/m；當加入量超過100份時，剝離強度上升速率變緩。通過上述試驗可以看出，木質素對聚硫橡膠的補強效果較為明顯，且加入量較大，同時還能保證較好的粘接性能。

木質素填充聚硫密封膠的TGA曲線如圖3所示。由圖3可知：其失重率5%和10%對應的溫度分別為240.3 ℃和266.6 ℃，說明該密封膠還具有較好的耐熱性能。

圖2 木質素加入量對剝離強度的影響Fig.2 Influence of lignin content on peeling strength

圖3 聚硫密封膠的TGA曲線Fig.3 TGA curve of polysulfide sealant

聚硫密封膠的應用環境復雜多樣，在光、凍融循環條件下都能夠加速其分子鏈降解，引起綜合性能下降。國外對聚硫密封膠耐老化性能的研究較多，但是國內的研究還較少。一般利用紫外光加速老化的方法研究聚硫密封膠的耐候性能，這種方法具有試驗周期較短、試驗操作方便等優點而得到廣泛認同。通過此試驗來模仿大氣環境中太陽光照射的降解作用，用噴水來實現降溫過程，以底部加熱管加熱使水汽蒸發來模仿露水的形成過程。每隔10 d取出部分試件，在常溫下進行拉伸和剝離性能測試，與老化前的性能比值作為相應的性能保持率，測試結果如圖4所示。

圖4 紫外老化后密封膠性能保持率Fig.4 Properties retention rates of sealant after ultraviolet aging

由圖4可知：隨著老化時間的增加，剝離強度、拉伸強度和斷裂伸長率等各項性能均有所下降，老化30 d后，性能保持率均能保持在85%以上。這說明木質素對紫外老化有著優異的抗耐性，同時引入木質素的聚硫密封膠對水汽也有很好的隔離作用，可有效地防止水汽滲入并侵蝕被粘接材料表面，避免脫粘現象的發生。

2.4 木質素對密封膠耐腐蝕性能的影響

隨著航空航天工業的快速發展，對聚硫密封膠的要求也越來越高，除密封與粘接作用外，還對被粘接金屬表面的保護提出了嚴格要求，所以聚硫密封膠的耐腐蝕性能也尤為重要。為此，本研究進行了條件較為苛刻的燃油系統耐腐蝕試驗。為了與之對比，選擇了國外Pecora公司的GC2+和本院生產的MJ-1、J-280、J-281和J-282這5種在不同領域中已有應用的成型膠種膠粘劑，其中J-280和J-281是耐腐蝕聚硫密封膠（里面加入了緩蝕劑）。將5種成型膠種和本研究研制的木質素填充聚硫密封膠依次編號為1#GC2+、2#MJ-1、3#J-280、4#J-281、5#木質素聚硫密封膠和6#J-282，經耐腐蝕性試驗后的試驗件外觀如圖5所示。

從圖5可以看出，6種密封膠上的油水分界線均比較明顯，油層和油水混合蒸汽界面基本無法分辨。同時，仔細觀察浸漬在鹽水層中的試驗件部分，由于沒有覆蓋密封膠，裸露的金屬部分均有所腐蝕，油層和油水混合蒸汽層腐蝕程度相對較輕。1#密封膠浸泡在鹽水中的部分之顏色與其余部分相比已經發生了明顯變化，其他5種膠顏色變化不明顯，且1#、 2#和 6#密 封 膠 泡 在 鹽 水 中 的 部 位 與 金 屬部分發生不同程度的脫粘現象。由此可知，此6種密封膠耐油和耐混合蒸汽性能均較好，但耐鹽水性能有一定差異。為了考查被密封膠覆蓋金屬部分的腐蝕情況，本試驗用二氯甲烷浸泡后去除其表面密封膠，然后觀察表面變化，結果如圖6所示。

圖5 試驗件耐腐蝕試驗后的外觀圖片Fig.5 Appearance of test samples after corrosion test

圖6 試驗件去除表面密封膠后的外觀照片Fig.6 Appearance of sealant-removed test samples after corrosion test

從 圖6可 以 看 出 ，1#、 2#和 6#金 屬 表 面 浸 泡在鹽水部分均有明顯的腐蝕點，而3#～ 5#表面無明顯腐蝕點。由此可知，本研究研制的木質素填充聚硫密封膠的耐腐蝕性能與2種耐腐蝕聚硫密封膠相當，這是由于木質素可以降低聚硫密封膠的吸水速率，改善其不利的吸濕返潮狀況，從而降低了鹽水的侵蝕效果，起到了抗腐蝕作用。

3 結論

（1）木質素可以在聚硫密封膠體系中大量填充，加入量為100份時，聚硫密封膠的綜合性能相對較好，其拉伸強度、斷裂伸長率和180°剝離強度分別為3.94 MPa、620%和5.6 kN/m。

（2）經30 d紫外老化后，聚硫密封膠的剝離強度、拉伸強度和斷裂伸長率保持率均在85%以上，對鹽水和航空煤油均具有較好的抗腐蝕性。

（3）木質素可以部分替代以石油為原料的材料，在未來工業發展中有著巨大的應用前景。

[1]路瑤,魏賢勇,宗志敏,等.木質素的結構研究與應用[J].化學進展,2013,25(5):838-858.

[2]陳磊,陳漢平,陸強,等.木質素結構及熱解特性[J].化工學報,2014,65(9):3626-3633.

[3]Yu P,He H,Jia Y,et al.A comprehensive study on lignin as a green alternative of silica in natural rubber composites[J].Polymer Testing,2016,54:176-185.

[4]Jiang C,He H,Yao X,et al.In situ dispersion and compatibilization of lignin/epoxidized natural rubber composites:reactivity,morphology and property[J].Journal of Applied Polymer Science,2015,132(23):42044.

[5]Jiang C,He H,Jiang H,et al.Nano-lignin filled natural rubber composites:Preparation and characterization[J].Express Polymer Letters,2013,7(5):480-493.

Abstract：The polysulfide sealant filled with natural polymer lignin was prepared and then the effects of lignin content on the mechanical properties and bonding performance were studied. The results showed that the polysulfide sealant had the relatively better combined property, its tensile strength, elongation at break and 180°peeling strength were 3.94 MPa, 620% and 5.6 kN/m respectively when the lignin content was 100 phr. This kind of polysulfide sealant also possessed good anti-aging performance and corrosion resistance.

Key words：lignin; polysulfide; sealant; bonding performance

Study on properties of lignin-filled polysulfide sealant

LI Jian-hui1, LIU Cai-zhao1,2, LI Qi-li1,2, ZHANG Bin1,2, SUN Ming-ming1,2, ZHANG Xu-gang1,2, WANG Lei1,XUE Gang1, ZHAO Ming1
(1.Institute of Petrochemistry of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin, Heilongjiang 150040, China; 2.Institute of Advanced Technology of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin, Heilongjiang 150020, China)

TQ436+.6

A

1001-5922（2017）10-0039-04

2017-03-17

李堅輝（1981-），男，副研究員，主要從事特種膠粘劑與密封材料等方面的研究。E-mail：ljh.exe@163.com。

張斌，男，教授、博士生導師，享受國務院特殊津貼。主要從事結構膠相關理論及技術與產品的研究與開發。E-mail：zhangbinaaa@sina.cn。