基于橡膠加工分析儀的不同批次乙丙橡膠性能研究

文/蔡小葉 王翠紅 汪 琪 陳永能（國營蕪湖機械廠）

空軍航修系統(tǒng)內乙丙橡膠制品在模壓硫化加工過程中，由于混煉膠批次不同，導致其加工性能、制品收縮率和物理性能略有差異。為了研究不同批次混煉膠性能差異，選擇具有代表性的乙丙橡膠，對膠料牌號為EP8282的兩個批次進行對比試驗，采用橡膠加工分析儀分析其微觀性能。

橡膠加工分析儀是一種新型的動態(tài)力學流變儀，它不僅可以在一次試驗中對膠料硫化前、硫化中和硫化后的彈性進行測量，而且可以在一定的頻率、溫度和應變范圍內測定混煉膠的動態(tài)性能[1-2]。橡膠加工分析儀可通過變溫硫化、頻率掃描、應變掃描、溫度掃描及應力松弛測試膠料的彈性轉矩（S'）、黏性轉矩（S''）、彈性模量（G'）、黏性模量（G''）、損耗因子（tanδ）等數據，為分析膠料性能提供有力依據[3]。采用橡膠加工分析儀對比研究不同批次乙丙橡膠得到相關數據，可為后續(xù)現場問題處理提供技術支撐。

一、試驗過程

1.試驗材料

乙丙橡膠，牌號EP8282，批次號17X06029 標記為EP8282-1，批次號18X01037 標記為EP8282-2，生產廠家為中國航發(fā)北京航空材料研究院。

2.主要儀器與設備

XK-200 煉膠機，上海輕工機械股份有限公司；P-V-100-2-PCD 平板硫化機，磐石油壓工業(yè)股份有限公司；RPA8000 橡膠加工分析儀，臺灣高鐵檢測儀器公司；CCWK-2005 微機控制電子萬能試驗機，長春微控機械制造有限公司；硬度計，營口市材料試驗機有限公司。

3.試樣制備

混煉膠在煉膠機上復煉薄通備用，沖切成規(guī)定大小膠片在橡膠加工分析儀上測試。

乙丙橡膠EP8282 硫化條件為（170±2）℃×10min，硫化試片尺寸為200mm×150mm，厚（2.0±0.2）mm。

4.性能檢測

各項性能均按照相應國家標準進行測試。拉伸強度、扯斷伸長率和扯斷永久變形按照國家標準GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能測定》[4]；邵氏硬度按照國家標準GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第一部分：邵氏硬度計》[5]。

二、結果與討論

1.混煉膠的相對分子質量和相對分子質量分布

RPA8000 橡膠加工分析儀對兩種不同批次EP8282乙丙橡膠分別進行溫度掃描，掃描頻率60 次·min-1，應變6.97%，EP8282-1 和EP8282-2 兩個不同批次乙丙橡膠對溫度的響應曲線如圖1 所示。

圖1 不同批次混煉膠對溫度的響應曲線

從圖1（a）可以明顯看出兩個批次的EP8282 彈性模量（G'）幾乎在同一條曲線上，圖1（b）中損耗因子（tanδ）在80℃時略有不同，曲線其他部分幾乎重合，由此說明EP8282-1 和EP8282-2 兩個批次的混煉膠相對分子質量和相對分子質量分布相近。

2.口型膨脹率和炭黑分散性

橡膠加工分析儀的優(yōu)點就是在一次試驗中可以同時對膠料的硫化前、硫化中和硫化后的性能進行連續(xù)測定，從而直觀反映出膠料性能變化。本次研究具體程序為：先設置溫度為60℃，應變掃描；然后在（170±2）℃×10min的條件下硫化；最后溫度設置為60℃，測其動態(tài)性能。

用RPA8000 橡膠加工分析儀對兩個批次EP8282 乙丙橡膠進行應變掃描，掃描溫度60℃、頻率60 次·min-1，結果如圖2 所示。

圖2 不同批次混煉膠對應變掃描的響應曲線

由圖2（a）可以看出，EP8282-1 和EP8282-2 兩個批次的G'響應曲線趨勢是相同的，但是明顯能看出在相同的應變條件下，EP8282-2 的G' 略小于EP8282-1 的。由于彈性模量的大小與混煉膠的口型膨脹有關，一般情況下，G'越小則膠料的口型膨脹也越小，該制品的尺寸穩(wěn)定性越好，因此EP8282-2 的口型膨脹略小，其制品尺寸穩(wěn)定性略優(yōu)于EP8282-1。

由圖2（b）可以看出，EP8282-1 和EP8282-2 兩個批次的損耗因子tanδ 響應曲線趨勢是相同的，但在相同的應變條件下，EP8282-2 的tanδ 略大于EP8282-1 的。有相關文獻表明，損耗因子與混煉膠中炭黑分散性有關，混煉膠中炭黑分散性越好，炭黑與橡膠結合量越多，相應的損耗因子越大，tanδ 可以表征混煉膠中炭黑分散性的優(yōu)劣，說明EP8282-2 的炭黑分散性略優(yōu)于EP8282-1。

3.分子流動性

用RPA8000 橡膠加工分析儀對EP8282-1 和EP8282-2 不同批次混煉膠進行頻率掃描，掃描溫度60℃，應變6.97%，結果如圖3 所示。

頻率掃描表示的是應變和溫度保持不變條件下，用來檢測橡膠彈性隨頻率變化的情況，直觀地表征分子流動性。在頻率掃描過程中，分子流動性越好，則分子間相對位移越大，內耗越大，相應的損耗因子tanδ 值越大[6]。從圖3（a） 中可以看出EP8282-2 的損耗因子大于EP8282-1，說明EP8282-2 該批次混煉膠分子流動性更好。

由圖3（b）和3（c）可以看出，在溫度和應變一定的情況下，兩種批次的混煉膠的彈性模量G'和黏性模量G''整體上都是隨著頻率的增加而增大，其初始值也大致相同，但是由于不同批次的配方略有差異，其微觀結構不同，從而表現出不同的彈性模量和黏性模量。實際生產硫化過程中，可以頻率的高低來表示加工速率的快慢，速度加快則加工性能變差[7]。即混煉膠的彈性模量隨著頻率的增加而增大，表明在實際加工過程中彈性模量隨著加工速度加快而增大，從而不利于加工。從圖3（b）可以看出EP8282-1 的彈性模量大于EP8282-2 的，因此EP8282-1的加工性能略差于EP8282-2。

4.硫化特性

RPA8000 橡膠加工分析儀不僅能檢測彈性轉矩和黏性轉矩，同時還能描述混煉膠的硫化歷程。混煉膠的加工性能不僅可以通過頻率掃描的彈性模量和黏性模量的響應曲線判定，也可以通過最小彈性轉矩（ML）判定，最小彈性轉矩數值越小則加工性能越好。EP8282-1 和EP8282-2 硫化特性參數如表1 所示。

由表1 可以看出，EP8282-2 的ML值小于EP8282-1的，說明EP8282-2 的加工性能略好于EP8282-1，其結果與前述分析結果一致。最大彈性轉矩（MH）與物理性能相關，其數值越大則物理性能越好。EP8282-1 和EP8282-2 的MH值相近，說明兩個批次的硫化膠物理性能相近。由表1 可以看出，EP8282-1 和EP8282-2 的硫化特性參數ts1（表示由最低轉矩上升0.1N·m 對應的時間）和ts2（表示由最低轉矩上升0.2N·m 對應的時間）幾乎相同，因此兩個批次硫化速率相當。t10表示膠料的焦燒時間，焦燒時間的長短決定了膠料焦燒性和加工安全性，較長的焦燒時間有較高的加工安全性。由表1 可以看出EP8282-2 的t10值大于EP8282-1 的，因此EP8282-2 的加工安全性較高。

5.硫化生熱

應變掃描中彈性模量G'響應曲線與硫化膠的定伸應力和拉伸強度相關，G'越大則定伸應力越大；黏性模量G''與硫化膠的生熱相關，G''越大則生熱越大[8]。

由圖4 可以看出，EP8282-1 與EP8282-2 的應變掃描G'' 響應曲線幾乎在同一條曲線上，在相同應變下，EP8282-2 的G'' 略微小于EP8282-1。硫化生熱隨結合硫磺的增加而增加，對整個硫化過程影響不大。

6.物理性能

圖4 不同批次混煉膠對應變掃描G''響應曲線

EP8282-1 和EP8282-2 的硫化膠物理性能如表2 所示。北京航空材料研究院標準Q/6S 1910-2016《EP8282乙丙橡膠膠料標準》[9]規(guī)定拉伸強度不小于10.8 MPa、扯斷伸長率不小于160%、扯斷永久變形不大于10%、邵氏硬度77～87 度。

由表2 可以看出，兩個批次的EP8282 乙丙橡膠的拉伸強度、扯斷伸長率、扯斷永久變形和硬度都在標準指標內，且物理性能相近，EP8282-2 的拉伸強度和扯斷伸長率略高于EP8282-1，與上述分析結果一致。

表2 不同批次硫化膠物理性能

三、結論

通過RPA8000 橡膠加工分析儀檢測兩個不同批次EP8282 乙丙橡膠硫化前、硫化中和硫化后溫度掃描、應變掃描和頻率掃描及物理性能測試，結果表明，不同批次EP8282 乙丙橡膠相對分子質量和相對分子質量分布相近，EP8282-2 的制品尺寸穩(wěn)定性、炭黑分散性、分子流動性和加工性能均略優(yōu)于EP8282-1；兩個批次混煉膠的物理性能相近、硫化速率相當；EP8282-2 有較高的加工安全性；EP8282-1 的硫化生熱略微高于EP8282-2。