水油環境用丁腈橡膠/氯丁橡膠共混膠性能研究

李 利，宋 偉*，田 倩，米廣杰

（1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.泰山職業技術學院，山東 泰安 271000）

隨著社會以及現代化生產的不斷進步，對橡膠制品性能的要求越來越高，橡膠制品的工作環境越來越苛刻，耐水、油腐蝕橡膠制品的需求量不斷增大。工作環境的特殊性限制了大部分橡膠制品的應用。丁腈橡膠（NBR）具有良好的耐油性能、耐磨性能、耐老化性能、耐熱氧老化性能、耐化學腐蝕性能和氣密性，但存在耐臭氧腐蝕性能和絕緣性能差的缺點，而氯丁橡膠（CR）除了具有良好的耐油、耐熱、不易燃燒和耐化學腐蝕性能等優點外，還具有良好的耐臭氧和絕緣性能[1-9]。國內外對二者共混的研究得到了很多有價值的結論，NBR和CR都是極性橡膠，兩者共混可獲得較好的耐老化性能與耐水、油性能的平衡[10-18]。

本工作主要對在水油環境下使用的NBR/CR并用膠性能的影響因素進行研究，在保證并用膠具有適當的硬度、門尼粘度，良好的拉伸強度、體積電阻率和磨耗性能外，優化并用膠的耐水、油和化學腐蝕性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

NBR，牌號4155，上海巖中實業有限公司產品；CR，牌號321，重慶長壽捷圓化工有限公司產品；白炭黑，德國德固賽公司產品；炭黑N115，天津億博瑞化工有限公司產品；炭黑N330，百利聯顏料制品有限公司產品；炭黑N550，卡博特化工有限公司產品。

1.2 試驗配方

CR基礎配方：CR 100，氧化鋅 5，氧化鎂 4。

NBR基礎配方：NBR 100，氧化鋅 5，氧化鎂 4。

并用膠配方：NBR/CR 90/10，炭黑N330 50，白炭黑 20，氧化鎂 6，氧化鋅 10，芳烴油V700 16，活性劑SAD 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，促進劑DM 0.6，硫黃 6。

在并用膠配方優化過程中，將硫化體系中的氧化鋅、氧化鎂、硫黃和促進劑DM用量作為變量，補強體系中的炭黑牌號及用量作為變量。

1.3 主要設備和儀器

BL-6157型兩輥開煉機，寶輪精密檢測儀器有限公司產品；XSM-500型密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；QLB-400×400×2型平板硫化機，上海第一橡膠機械廠產品；M-2000-AN型無轉子硫化儀、GT-7017-N（M/L）型老化箱，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；TS2005b型電子拉力試驗機、UM-2050型門尼粘度計，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉工藝

密煉機混煉溫度為60 ℃，轉子轉速為80 r·min-1，混煉時間為7 min。

1.4.2 硫化

混煉膠采用無轉子硫化儀測試硫化特性，用平板硫化機硫化，硫化時間為1.3t90。

1.5 性能測試

膠料各項性能按照相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 基礎配方性能對比

表1所示為基礎配方膠料的物理性能。

由表1可知：基礎配方膠料在經典硫化體系下性能滿足下一步試驗要求。

表1 基礎配方膠料物理性能

2.2 硫化體系對NBR性能的影響

采用正交試驗設計硫化體系，具體方案如表2所示。

表2 硫化體系正交試驗方案 份

設計方案1—16膠料的邵爾A型硬度分別為68，68，68，68，67，66，66，67，68，68，67，67，68，67，68和68度，可知試驗設計硫化體系對膠料的邵爾A型硬度影響不大，膠料硬度集中在66～68度之間。

硫化體系對NBR拉伸強度和體積電阻率的影響如圖1所示。由圖1可知：方案11膠料的拉伸強度最大，其主要原因為：（1）當氧化鋅用量過小時膠料得不到充分的硫化，而其用量過大時容易造成過硫現象；（2）氧化鎂在NBR中主要起到防止焦燒的作用，當其用量過小時容易使膠料在混煉過程中發生早期硫化現象；（3）當促進劑DM用量過大時能夠增大膠料的硫化速度造成過硫，用量過低時會降低膠料的硫化速度使得膠料硫化不充分。硫化體系對NBR體積電阻率的影響不大。

圖1 硫化體系對NBR性能的影響

2.3 CR用量對NBR/CR并用膠性能的影響

根據硫化體系對NBR性能影響的情況，選取綜合性能最好的方案11研究CR用量對NBR/CR并用膠性能的影響。

NBR/CR用量比分別為90/10，80/20，0/30，60/40和50/50時，并用膠門尼粘度分別為76，73，72，68，64和63，并用膠門尼粘度隨著CR用量的增大而減小。門尼粘度的減小首先能夠使兩種膠料更好地混煉，其次在硫化過程中膠料容易流動，使并用膠能夠更好地充模。

圖2所示為CR用量對NBR/CR并用膠拉伸強度和體積電阻率的影響。

圖2 CR用量對NBR/CR并用膠拉伸強度和體積電阻率的影響

由圖2可知：隨著CR用量的增大，并用膠的拉伸強度先增大后減小，其主要原因是CR具有自補強作用，當CR用量增大時，并用膠的拉伸強度具有一定的增大趨勢；拉伸強度達到最大后繼續增大CR用量，并用膠的拉伸強度呈現減小趨勢，主要是由于CR的結晶性能不完善，在大變形下，并用膠容易在結晶薄弱處斷裂。加入CR并用膠的體積電阻率呈現總體增大的趨勢，但在CR用量超過20份后，隨著CR用量的進一步增大，并用膠的體積電阻率呈減小趨勢，其原因為：NBR與CR相比，NBR的體積電阻率較小，加入CR能夠增大并用膠的體積電阻率。

CR用量對水浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響如圖3所示。由圖3可知：水浸泡后并用膠的拉伸強度和體積電阻率與未浸泡并用膠的拉伸強度和體積電阻率的變化規律大體一致。

圖3 CR用量對水浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

CR用量對油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著CR用量的增大，并用膠耐油性能逐漸增強，其主要原因為：NBR采用硫黃硫化體系時產生鍵能較低的碳-硫鍵，油浸泡后性能不穩定，而CR具有良好的耐老化性能以及耐油性能，當CR用量增大時，并用膠耐油性能增強。

圖4 CR用量對油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

2.4 炭黑牌號和用量對NBR/CR并用膠性能的影響

分別取50份炭黑N115，N330和N550研究炭黑對NBR/CR并用膠性能的影響。試驗配方為：NBR/CR 70/30，炭黑 50，白炭黑 20，氧化鎂 6，氧化鋅 5，芳烴油V700 16，活性劑SAD 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，促進劑DM 0.4，硫黃 2。

2.4.1 炭黑牌號

添加炭黑N115，N330和N550的并用膠拉伸強度分別為20.00，20.65和22.75 MPa，體積電阻率 分 別 為20.7×1010，103.4×1010和875.3×1010Ω·cm，可見炭黑N550的補強效果最好，其主要原因是炭黑N115和N330在膠料中不容易分散，容易造成膠料混煉不均勻，導致補強效果不明顯；分散性較好的炭黑N550膠料的體積電阻率最大。

2.4.2 炭黑用量

炭黑N550的用量對NBR/CR并用膠拉伸強度和體積電阻率的影響如圖5所示。由圖5可知：當炭黑N550用量為40份時，并用膠拉伸強度最大，主要原因是由于當炭黑N550的用量較小時對并用膠的補強效果不明顯，而炭黑用量過大時炭黑分散效果變差，不但影響了補強作用，而且還會影響并用膠的其他性能；隨著炭黑用量的增大，并用膠的體積電阻率減小，當炭黑N550用量大于30份后，并用膠體積電阻率減幅增大，其原因為炭黑N550在并用膠中的分散具有一定的閾值，當超過閾值后，其分散效果急劇變差，導致并用膠體積電阻率減小明顯。

圖5 炭黑N550用量對NBR/CR并用膠性能的影響

水環境下炭黑N550用量對NBR/CR并用膠拉伸強度減小率和體積電阻率減小率的影響如圖6所示。由圖6可知：在耐水試驗中，隨著炭黑N550用量的增大，并用膠拉伸強度減小率和體積電阻率減小率均呈現增大的趨勢，當炭黑N550用量大于40份后，并用膠拉伸強度減小率和體積電阻率減小率增大得更明顯，原因是炭黑N550吸水能力較強，炭黑用量越大，并用膠在水環境下的老化速率越大。因此，當NBR/CR用量比為70/30時，在滿足其他性能的前提下，炭黑N550用量應盡量小于40份。

圖6 炭黑N550用量對水浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

油環境下炭黑N550用量對NBR/CR并用膠拉伸強度減小率和體積電阻率減小率的影響如圖7所示。由圖7可知：隨著炭黑N550用量的增大，拉伸強度減小率和體積電阻率減小率都呈增大的趨勢；當炭黑N550用量大于40份后，減小率增大得較為明顯，原因是炭黑N550吸油后能夠加速膠料的老化，并使炭黑N550在膠料中發生團聚。

圖7 炭黑N550用量對油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

2.5 白炭黑用量對NBR/CR并用膠性能的影響

白炭黑對NBR/CR并用膠性能影響試驗配方為：NBR/CR 70/30，炭黑N550 40，氧化鎂 6，氧化鋅 5，芳烴油V700 16，活性劑SAD 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，促進劑DM 0.4，硫黃 2，白炭黑 10～40。

白炭黑用量對NR/CR并用膠拉伸強度和體積電阻率的影響如圖8所示。白炭黑用量對水和油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響如圖9和10所示。由圖8—10可知：隨著白炭黑用量的增大，并用膠料的拉伸強度先增大后減小。由圖9和10可知，在水環境下并用膠的拉伸強度和體積電阻率較大，這是由于白炭黑具有吸濕性，在水環境下能夠對并用膠產生一定的保護作用，當白炭黑用量超過一定值后，膠料的性能才會發生較大的變化；隨著白炭黑用量的增大，NBR/CR并用膠的耐油性能變差，主要原因是白炭黑對油的吸收能力較強，白炭黑用量越大，吸附的油越多，老化就越快。綜合考慮，白炭黑用量為20份時NBR/CR并用膠的綜合性能最好。

圖8 白炭黑用量對NBR/CR并用膠性能的影響

圖9 白炭黑用量對水浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

圖10 白炭黑用量對油浸泡后NBR/CR并用膠性能的影響

2.6 硫化時間對NBR/CR并用膠性能的影響

在對NBR/CR并用膠進行硫化特性測試時，并用膠硫化曲線沒有明顯的平坦期，在以上所做試驗中，膠料硫化時間均為50 min。

硫化時間對NBR/CR并用膠性能的影響試驗配方為：NBR/CR 70/30，炭黑N550 40，白炭黑 20，氧化鎂 6，氧化鋅 5，芳烴油V700 16，活性劑SAD 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，促進劑DM 0.4，硫黃 2。硫化時間為30，40，50，60和70 min的硫化膠拉伸強度分別為19.6，20.4，22.8，21.9和18.3 MPa，可知隨著硫化時間的延長，硫化膠的拉伸強度先增大后減小。其主要原因為：硫化時間過短容易造成欠硫，而硫化時間過長容易造成過硫，在膠料長時間硫化的過程中分子鏈容易斷裂造成硫化膠拉伸強度減小的現象。因此50 min為最佳硫化時間。

3 結論

（1）NBR/CR并用膠（并用比為70/30）的硫化體系最佳配比為：氧化鋅 5，氧化鎂 6，促進劑DM 0.4，硫黃 2。

（2）NBR/CR用量比為70/30時，并用膠的綜合性能最好。

（3）使用炭黑N550的NBR/CR并用膠拉伸強度、體積電阻率和耐水、油性能最佳，且當炭黑N550用量為50份、白炭黑為20份時補強效果最好。

（4）硫化時間為50 min時NBR/CR并用膠的拉伸強度最大。