三元乙丙橡膠膠料抗穿刺性能的研究

肖程遠，譚蓮影，陳曉艷，頡跟虎，周承龍

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

三元乙丙橡膠（EPDM）的分子結構特點使其性能獨特，具有耐老化性能、耐化學介質性能、耐熱水/水蒸氣性能、電絕緣性能、沖擊彈性、低溫性能優異以及低密度、高填充的特點。這些特點決定了其在純橡膠制品領域的應用將越來越廣泛。國內外對EPDM性能的研究很多，但對其抗穿刺性能的研究較少。本工作探討EPDM膠料組分對其抗穿刺性能的影響，以期為后續相關工作提供支持。

1 實驗

1.1 主要原材料

EPDM，牌號7001和2502，美國埃克森美孚公司產品；牌號4725P，美國陶氏化學公司產品；牌號5470C，2650，9950C，德國朗盛公司產品；牌號9090M，日本三井化學公司產品。硫化劑DCP，上海高橋石油化工公司產品。石蠟油2280，美國SUNPAR公司產品。

1.2 主要設備和儀器

160×320型開煉機，上海橡膠機械廠產品；Y33-50A型平板硫化膠，萍鄉九州精密壓機有限公司產品；電子萬能試驗機，深圳市三思科技開發有限公司產品。

1.3 性能測試

穿刺強度按科技基[2009]88號《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道高強度擠塑板暫行技術條件》附錄A測試。試樣在不受拉伸的情況下夾在兩圓板之間，用環形夾具牢固固定在拉伸測試儀上，與荷載指示器連接的一根實心金屬棒對試樣未被支撐部分的中心施加力，直到試樣被金屬棒完全刺穿，所施加的最大力就是試樣的穿刺強度。

2 結果與討論

2.1 EPDM

EPDM的乙烯含量和第三單體亞乙基降冰片烯（ENB）含量如表1所示，各牌號EPDM膠料的抗穿刺性能如圖1所示。

表1 各牌號EPDM的乙烯含量和ENB含量

從圖1可以看出：EPDM對膠料抗穿刺性能的影響較大，膠料抗穿刺性能優劣的EPDM牌號順序 為7001，4725P，5470C，9950C，9090M，2650，2502。該順序與EPDM的乙烯含量和ENB含量有關，乙烯含量越大，膠料的穿刺強度總體越大。

圖1 不同牌號EPDM膠料的穿刺強度

2.2 硫化體系

硫化體系對EPDM（牌號7001，下同）膠料抗穿刺性能和硫化最大轉矩與最小轉矩差（Fmax-FL）的影響分別如圖2和3所示。圖中1—5號硫化體系分別為硫黃硫化體系（硫黃 2.2）、半有效硫化體系（硫黃/促進劑TMTD 1.5/0.8）、有效硫化體系（硫黃/促進劑TMTD 0.8/1.6）、過氧化物硫化體系（硫化劑DCP/助交聯劑TAIC 4/2）、過氧化物/硫黃硫化體系（硫黃/硫化劑DCP/助交聯劑TAIC 0.3/3/1.5）。

從圖2可以看出，與硫黃硫化體系、半有效硫化體系、有效硫化體系膠料相比，過氧化物硫化體系和過氧化物/硫黃硫化體系膠料的抗穿刺性能更好。這是因為過氧化物硫化體系反應活性高，生成的C—C鍵鍵能比單硫鍵、雙硫鍵或多硫鍵鍵能更高，穩定性更好。

圖2 硫化體系對EPDM膠料穿刺強度的影響

Fmax-FL可表征膠料的交聯程度。從圖3可以看出，過氧化物硫化體系膠料的Fmax-FL最大，即交聯密度最大的膠料穿刺強度最大。因此，選擇交聯鍵鍵能高的過氧化物硫化體系提高膠料的交聯密度，對改善膠料的抗穿刺性能有積極的作用。

圖3 硫化體系對EPDM膠料Fmax－FL的影響

2.3 補強填充體系

EPDM一般以炭黑為主要填料，炭黑種類對膠料抗穿刺性能的影響如圖4所示。圖中1—5號炭黑分別為炭黑N234、低滯后炭黑、炭黑N330、炭黑N550、炭黑N219。

圖4 炭黑種類對EPDM膠料穿刺強度的影響

從圖4可以看出：炭黑N234膠料的穿刺強度最大，原因是炭黑N234的比表面積和結構度均很高，補強性好；炭黑N550膠料的穿刺強度最小；炭黑N219膠料的抗穿刺性能僅略優于炭黑N550膠料，原因是炭黑N219的粒徑雖然小，但結構度偏低。因此，粒徑小、結構度高的炭黑對提高膠料的抗穿刺性能效果較好。

在EPDM中經常填充大量的無機填料。無機填料種類對膠料抗穿刺性能的影響如圖5所示。圖中1—5號填料分別為強威粉、白炭黑（硅烷偶聯劑處理）、云母粉、陶土、輕質碳酸鈣。

圖5 無機填料種類對EPDM膠料穿刺強度的影響

從圖5可以看出：強威粉膠料的穿刺強度最大，原因是強威粉粒徑小，具有納米材料所特有的小尺寸效應，與橡膠分子形成淤滲作用[1]，加之強威粉獨特的片層結構，提高了膠料的抗穿刺性能；白炭黑膠料的穿刺強度居第2，原因是白炭黑表面經硅烷偶聯劑處理，提高了其與橡膠的親和力、濕潤性和相容性，使其與橡膠大分子的界面作用增強，白炭黑與橡膠間形成了網狀結構[2]；云母粉膠料的穿刺強度居第3，這與云母粉片層結構有關，但云母粉與EPDM的親和性及在膠料中的分散性仍有待提高；輕質碳酸鈣膠料的穿刺強度最小，這在于輕質碳酸鈣僅起填充作用。因此，選擇小粒徑、片層結構的填料對膠料抗穿刺性能較好。

2.4 軟化劑

軟化劑能增大橡膠分子間距離，減弱分子間作用力，大量添加軟化劑對膠料抗穿刺性能不利，但少量的軟化劑能改善填料在橡膠中的分散，對提高膠料抗穿刺性能有利。石蠟油與EPDM相容性較好，添加石蠟油2280，300，1535膠料的穿刺強度分別為346，336，319 N（膠料配方為EPDM100，炭黑N234 45，強威粉 30，氧化鋅 5，硬脂酸 1，石蠟油 10，硫化劑DCP 4，助交聯劑TAIC 2；硫化條件為170 ℃×10 min）。由此可見，加有石蠟油2280膠料的穿刺強度最大，優質石蠟油300膠料次之，石蠟油1535膠料最小。

3 結論

（1）EPDM乙烯含量越大，膠料的抗穿刺性能越好。

（2）交聯鍵鍵能高的過氧化物硫化體系可提高EPDM膠料的交聯密度，對改善膠料的抗穿刺性能有積極的作用。

（3）粒徑小、結構度高的炭黑和粒徑小、片層結構的無機填料對提高膠料的抗穿刺性能較好。

（4）加入少量軟化劑能改善填料在膠料中的分散性，石蠟油2280對提高膠料的抗穿刺性能效果較好。