NBR/PVC TPV與NBR/PVC共混膠的性能對比研究

李超芹, 胡海華, 梁 滔, 龔光碧

（中國石油蘭州化工研究中心, 甘肅 蘭州 730060）

NBR/PVC TPV與NBR/PVC共混膠的性能對比研究

李超芹, 胡海華, 梁 滔, 龔光碧

（中國石油蘭州化工研究中心, 甘肅 蘭州 730060）

以丁腈橡膠（NBR）和聚氯乙烯（PVC）樹脂為基礎材料，采用動態硫化和熔融共混的方法分別制備了NBR/PVC動態硫化熱塑性彈性體（TPV）與NBR/PVC共混膠，并對TPV和共混膠的高溫拉伸性、耐熱空氣老化性、耐油性以及動態力學性能進行了對比研究。研究結果表明，室溫下，NBR/PVC TPV的拉伸強度高于共混膠的；溫度高于50 ℃時，共混膠的拉伸強度則高于TPV的。在測試溫度下，NBR/PVC TPV的斷裂伸長率始終低于共混膠，兩種材料在120 ℃時都失去使用價值。NBR/PVC TPV的耐熱空氣老化性能和耐3#標準油性能優于NBR/PVC共混膠的。NBR/PVC TPV初始彈性模量較高，共混膠的損耗因子峰值高于TPV的，兩種材料損耗因子峰值溫度基本相同。

熱塑性彈性體（TPV）；高溫拉伸性能；耐油性；動態力學性能

0 前 言

利用兩種或多種聚合物材料制備共混物是提高聚合物材料性能重要的技術途徑之一。丁腈橡膠（NBR）具有優良的耐油和物理性能，但耐氧尤其是耐臭氧老化性能較差；而聚氯乙烯（PVC）具有優異的阻燃性、離火自熄性、耐臭氧老化性、耐化學藥品腐蝕性、電絕緣性和熱塑性。由于NBR與PVC溶解度參數接近，具有較好的相容性，通過共混方式制備的NBR/PVC共混物綜合了兩者優勢，是經典的橡塑并用材料。

以NBR和PVC為基礎聚合物材料，通過不同加工方式可以制備不同的彈性體材料：NBR/PVC共混膠和NBR/PVC動態硫化熱塑性彈性體（TPV）。NBR/PVC共混膠是NBR與PVC通過機械混合或乳液共沉的方法制備的NBR/PVC共混物，是以NBR橡膠為連續相、PVC樹脂為分散相的彈性體材料，其加工方式與NBR相差不大[1-5]；NBR/PVC TPV是利用動態硫化技術制備的，在高溫度場和高剪切場的混合器中將NBR和PVC熔融共混，在交聯劑的作用下使NBR發生原位硫化，并細微地分散于PVC連續相中形成穩定的分散體系[6-12]。NBR/PVC TPV具備熱塑性彈性體的重復加工性，這是NBR/PVC共混膠所不具備的。雖然基體材料都是NBR與PVC，但由于加工方式不同，尤其是NBR的硫化方式不同，得到兩種結構完全不同的高分子材料，因此其物理性能將產生差異。

以NBR和PVC為基礎材料，分別制備了NBR/PVC TPV與NBR/PVC共混膠，并對其物理性能進行對比研究，以期為選擇使用這兩種彈性體材料時提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

丁腈橡膠，NBR3305，蘭州石化；聚氯乙烯，PVC1000，天津大沽化工；炭黑330，贏創德固賽；氧化鋅，諸城正大中和化工。硬脂酸、不溶性硫磺、鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）、復合穩定劑、4010NA以及促進劑CZ、TT等助劑均為市售產品。

1.2 基本配方

基本配方（單位：份）：NBR，70.0；PVC，30.0；復合穩定劑，PVC質量份的4%；DOP，20.0；氧化鋅，5.0；硬脂酸，1.0；促進劑CZ，1.0；促進劑TT，1.0；防老劑4010NA，1.0；硫磺，1.5；炭黑330，30.0。

1.3 主要儀器與設備

HAKKE轉矩流變儀，Polylab OS型，Thermofisher；開放式煉膠機，BL-6175BL型，寶輪精密檢測儀器；平板硫化機，XLBD400×400型，湖州東方機械；邵氏橡膠硬度計，LX-A型，江都市明珠實驗機械；高溫電子拉力機，AI7000S型（配高低溫試驗箱），高鐵檢測儀器；動態熱機械分析（DMA），DMA/SDTA 861e型，瑞士梅特勒-托利多；恒溫油槽，GT-7040-L型，高鐵檢測儀器。

1.4 試樣制備

（1）NBR/PVC TPV制備

將PVC、穩定劑、DOP混合均勻，置于70 ℃烘箱中5 h并不斷攪拌，使PVC充分膨潤；然后將膨潤的PVC母料投入溫度155 ℃、轉速80 r/min的轉矩流變儀中塑化3 min；待PVC母料中的白色粉末完全塑化，在轉子上呈連續透明狀時，加入NBR、氧化鋅、硬脂酸、防老劑、炭黑等助劑，混煉7 min；再加入硫化劑混煉1 min后加入促進劑，待轉矩流變儀溫度-扭矩曲線上出現硫化峰并穩定后取出。

試樣熱壓成型的條件為160 ℃、10 MPa、7 min，再冷壓20 min成片。

（2）NBR/PVC共混膠制備

混煉工藝同（1）中加入硫化劑前的步驟。混合均勻后取出，冷卻，在開煉機上加入促進劑和硫磺，混煉均勻后下片。試樣模壓硫化條件為160 ℃、10 MPa、10 min。

1.5 性能測試分析

拉伸性能：測試溫度分別為23、50、75、100、120 ℃；熱空氣老化：測試條件為100 ℃；耐3#標準油：測試條件為100 ℃、70 h；動態熱機械分析（DMA）：樣品尺寸為4 mm×4 mm×2 mm（長×寬×厚），測試溫度范圍-100～100 ℃，升溫速率3 ℃/min，頻率10 Hz，剪切模式。

2 結果與討論

2.1 溫度對NBR/PVC TPV和共混膠拉伸性能的影響

表1為NBR/PVC TPV和共混膠在不同溫度下的拉伸性能。由其可知，室溫下（23 ℃），NBR/PVC TPV與共混膠的拉伸強度分別為15.86 MPa和14.91 MPa，TPV的拉伸強度略高于共混膠的。在動態硫化技術制備的NBR/PVC TPV中，細小的NBR交聯顆粒為分散相，分散在PVC連續相中；并且大量的交聯粒子聚集，形成不同結構層次的膠粒聚集網絡，各種強弱不同的交聯網絡之間形成協同作用，從而賦予NBR/PVC TPV較高的拉伸強度[13]。隨著溫度的升高，NBR/PVC TPV和共混膠的拉伸強度均迅速降低。50 ℃時，兩種材料的拉伸強度分別下降至23 ℃時的45.02%和52.45%。在高溫下共混膠的拉伸強度均高于TPV的，這與兩種材料的形態結構相關。NBR/PVC TPV是以PVC樹脂為連續相，交聯NBR為分散相；而NBR/PVC共混膠則以交聯橡膠為連續相，PVC樹脂為分散相。隨著溫度的升高，TPV中的PVC樹脂在增塑劑的作用下迅速軟化，導致強度快速下降；而NBR/PVC共混膠因連續相橡膠交聯網絡的完整性，強度下降幅度相對較少。

在測試溫度下，NBR/PVC TPV的斷裂伸長率均低于共混膠的。與23 ℃相比，50 和75 ℃時兩種材料的斷裂伸長率均表現為不同程度的升高，尤其是共混膠50 ℃時斷裂伸長率比23 ℃時提高60%，這與橡膠連續相的交聯網絡在高溫下能夠發生大變形相關。超過100 ℃時，因NBR/PVC TPV中PVC連續相發生軟化和黏流導致斷裂伸長率大幅度下降，拉伸強度也下降至很小，基本失去使用價值。

表1 NBR/PVC TPV與共混膠在不同溫度下的拉伸性能

2.2 熱空氣老化對NBR/PVC TPV和共混膠的性能影響

表2為NBR/PVC TPV與共混膠在100 ℃下不同老化時間對兩種材料硬度、拉伸強度以及斷裂伸長率的影響。從硬度的變化來看，NBR/PVC TPV的硬度在老化初期的24 h內下降了6；隨著老化時間的延長，硬度逐步提高。而NBR/PVC共混膠則隨著老化時間的延長，硬度小幅增加；老化達到168 h，硬度出現下降。從拉伸強度來看，NBR/PVC TPV與共混膠的拉伸強度隨著老化時間的延長都呈增大趨勢，老化168 h后，兩種材料的拉伸強度分別提高了31.97%和42.12%。從斷裂伸長率來看，NBR/PVC TPV在老化初期（72 h以內）隨著老化時間的延長，斷裂伸長率逐漸增大，只是在老化達到168 h出現下降；而對于NBR/PVC共混膠，則隨著老化時間的延長，斷裂伸長率呈持續下降的趨勢。從材料的拉伸性能來看，由于兩種材料中的橡膠相在高溫下進一步交聯，因此拉伸強度逐步增大而斷裂伸長率逐漸減小。在共混膠中橡膠相為連續相，對共混物的性能影響更大，因此共混膠的拉伸強度增加幅度較大，斷裂伸長率下降更快。從耐熱空氣老化性能來看，NBR/PVC TPV的耐熱空氣老化性能要優于NBR/PVC 共混膠的。

表2 熱空氣老化時間對NBR/PVC TPV與共混膠性能的影響

2.3 NBR/PVC TPV和共混膠的耐3#標準油性能

經過在3#標準油中100 ℃、70 h浸泡，NBR/PVC TPV與共混膠的拉伸性能變化如表3所示。耐油測試后，NBR/PVC TPV與共混膠的拉伸強度均增大，斷裂伸長率均減小。NBR/PVC TPV和共混膠的拉伸強度變化率分別為+16.27%和+31.99%，NBR/PVC TPV與共混膠斷裂伸長率變化率分別為-18.79%和-25.31%。從拉伸性能變化數據來看，NBR/PVC TPV的耐3#標準油性能優于共混膠的。在NBR/PVC TPV中，PVC為連續相，NBR顆粒分散在連續相中，連續的PVC包裹著NBR顆粒，提高了體系的耐油性。

表3 NBR/PVC TPV與共混膠的耐油性能

2.4 NBR/PVC TPV和共混膠的動態力學性能

圖1為 NBR/PVC TPV和NBR/PVC共混膠的貯能模量（G'）和損耗因子（tanδ）隨溫度的變化。由圖1可以看出，NBR/PVC TPV的初始彈性模量較高，貯能模量在較低溫度下就出現明顯下降；兩種材料均具有較高的阻尼因子，TPV的tanδ峰值較低，峰值對應的溫度與NBR/PVC共混膠的基本一致。這與NBR/PVC TPV動態硫化工藝及其形態結構有關，動態硫化工藝中橡膠在交聯劑的作用下發生硫化反應，由于硫化是在共混過程中進行的，發生硫化的橡膠不能像靜態硫化那樣形成整體的橡膠型網絡結構，而會因機械剪切力的作用使硫化形成的體型網絡遭到破壞，使交聯橡膠被分散成非常小的粒子，而這些粒子的內部是交聯的。與NBR/PVC共混膠連續整體橡膠交聯網絡相比，動態硫化使橡膠相變為交聯的橡膠粒子，分散于PVC連續相中，由PVC連續相提供了較大的剛度，因而NBR/PVC TPV在低溫下有較高的模量，有較強的抗形變能力。

圖1 NBR /PVC TPV和共混膠的動態力學性能

3 結 論

（1）在室溫條件下，NBR/PVC TPV的拉伸強度高于共混膠的，而在溫度高于50 ℃時，共混膠的拉伸強度均高于TPV的；在測試溫度下，NBR/PVC TPV的斷裂伸長率均低于共混膠的，在高溫下兩種材料的斷裂伸長率均表現為不同程度的升高，但在120 ℃時，兩種材料的拉伸強度和伸長率均急劇下降，失去使用價值。

（2）從耐熱空氣老化性能來看，NBR/PVC TPV的耐熱空氣老化性能要優于NBR/PVC共混膠的。

（3）經過耐油測試后，NBR/PVC TPV與共混膠的拉伸強度均增大，斷裂伸長率均減小。從變化數據來看，NBR/PVC TPV的耐3#標準油的性能優于共混膠的。

（4）動態硫化制備的NBR/PVC TPV初始彈性模量較高，貯能模量在較低溫度下就出現明顯下降；從損耗因子tanδ來看，NBR/PVC TPV和共混膠的峰值溫度基本相同，共混膠的損耗因子峰值高于TPV的。

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TQ 333.7

B

1671-8232(2017)11-0007-05

李超芹（1974—），男，山東青島人，博士，副教授，主要從事熱塑性彈性體及特種橡膠材料的研究，已發表論文40余篇。

[責任編輯：朱 胤]

2016-08-05