液體氟彈性體/固體氟橡膠復(fù)合材料的制備與性能研究

王廣克，金文德，王磊磊，王廣周，耿進(jìn)峰，陳 新

（1.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102211；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司 電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052）

氟橡膠的耐油、耐熱、耐腐蝕、耐老化等性能優(yōu)異，穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)和石油開(kāi)采等領(lǐng)域[1-7]。在電力行業(yè)中輸變電設(shè)備大多采用絕緣油作為絕緣和散熱介質(zhì)，因此以氟橡膠為主體材料的耐油橡膠常被用作密封材料或阻尼減振材料[8-12]。但氟橡膠超大的相對(duì)分子質(zhì)量導(dǎo)致其加工性能差，因此其通常與其他橡膠并用[13-14]。

本工作將不同用量液體氟彈性體（相對(duì)分子質(zhì)量為3 500～4 500的小分子彈性體）與26型固體氟橡膠并用，制備液體氟彈性體/固體氟橡膠復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱復(fù)合材料），為高性能氟材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考[15]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

氟橡膠，牌號(hào)FKM2602，山東華夏神舟新材料有限公司產(chǎn)品；惰性端基液體氟彈性體，北京北化新橡特種材料科技股份有限公司產(chǎn)品；炭黑N990，鄭州豐茂化工產(chǎn)品有限公司產(chǎn)品；受阻酚HP1098，江蘇華立明化工有限公司產(chǎn)品；氧化鎂和硫化劑AF，市售品。

1.2 試驗(yàn)配方

氟彈性體 100[液體氟彈性體/固體氟橡膠用量比（簡(jiǎn)稱液固比）分別為0/100，5/95，10/90，15/85]，炭黑N990 30，受阻酚HP1098 60，氧化鎂 3，硫化劑AF 2。

1.3 主要設(shè)備和儀器

雙輥開(kāi)煉機(jī)，青島亞華機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XLB型平板硫化機(jī)，上海浦大液壓機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；DHG-9030A型電鼓風(fēng)烘箱，上海標(biāo)承實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；M-3000型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀和XB-220A型電子天平，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；WH-9029型門(mén)尼粘度儀，寧波偉恒檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；CREE-1048型毛細(xì)管流變儀，東莞市科銳儀器科技有限公司產(chǎn)品；XD-121W型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，上海信任達(dá)儀器有限公司產(chǎn)品；TGA/DSC-1型熱重/差熱同步分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司產(chǎn)品；DMA8000型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA），美國(guó)鉑金-埃爾默公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

（1）混煉。先將固體氟橡膠在開(kāi)煉機(jī)上包輥塑煉，再加入液體氟彈性體、受阻酚HP1098、炭黑N990、氧化鎂和硫化劑AF，然后薄通、打三角包，混煉均勻后下片。

（2）一段硫化。混煉膠在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為170 ℃×t90，得到一段硫化膠。

（3）二段硫化。一段硫化膠在250 ℃真空烘箱中保溫5 h，得到二段硫化膠。

1.5 性能測(cè)試

（1）流動(dòng)性。采用毛細(xì)管流變儀將混煉膠在50 ℃下按一定剪切速率擠出，通過(guò)剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線分析混煉膠的流動(dòng)性。

（2）強(qiáng)度性能。拉伸性能和撕裂強(qiáng)度采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別按照GB/T 528—2009和GB/T 529—2008進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率均為500 mm·min-1。

（3）熱重（TG）分析。采用熱重/差熱同步分析儀進(jìn)行測(cè)試，氮?dú)鈿夥眨郎厮俾蕿?0 ℃·min-1。

（4）阻尼性能。采用DMA測(cè)試損耗因子（tanδ），試樣尺寸為40 mm×5 mm×2 mm，拉伸模式，頻率為125 Hz，升溫速率為5 ℃·min-1，溫度為－60～80 ℃，采用應(yīng)變控制，應(yīng)變幅值為0.05%，預(yù)緊力為0.01 N。

（5）其他性能。按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

不同液固比復(fù)合材料的硫化曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著液體氟彈性體用量增大，復(fù)合材料的硫化時(shí)間變化不大，但Fmax降低，這是由于低相對(duì)分子質(zhì)量組分的加入使復(fù)合材料交聯(lián)后轉(zhuǎn)矩降低。

2.2 加工性能

2.2.1 門(mén)尼粘度

加入液體氟彈性體的主要目的是改善復(fù)合材料的加工性能。經(jīng)測(cè)試，液固比分別為0/100，5/95，10/90和15/85的復(fù)合材料（混煉膠）的門(mén)尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]分別為94，64，61和53。

可以看出，與未添加液體氟彈性體的復(fù)合材料相比，添加液體氟彈性體的復(fù)合材料的門(mén)尼粘度降低30個(gè)門(mén)尼值以上，說(shuō)明液體氟彈性體作為加工助劑能明顯改善復(fù)合材料的加工性能。

2.2.2 流動(dòng)性

用毛細(xì)管流變儀將復(fù)合材料（混煉膠）在50 ℃下按一定剪切速率擠出，得到剪切粘度隨剪切速率的變化曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，與未添加液體氟彈性體的復(fù)合材料相比，添加液體氟彈性體的復(fù)合材料在低剪切速率下的剪切粘度明顯降低，說(shuō)明液體氟彈性體有利于改善復(fù)合材料的加工性能。

2.3 物理性能

不同液固比復(fù)合材料的物理性能如表1所示。

從表1可以看出，隨著液體氟彈性體用量增大，復(fù)合材料的硬度、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度逐漸降低，但降幅不大，拉斷伸長(zhǎng)率提高。說(shuō)明低相對(duì)分子質(zhì)量組分的加入使復(fù)合材料的物理性能略有下降。

表1 不同液固比復(fù)合材料的物理性能Tab.1 Physical properties of composites with different liquid-solid ratios

2.4 耐熱性能

與固體氟橡膠相比，液體氟彈性體的相對(duì)分子質(zhì)量較小，對(duì)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有一定影響，不同液固比復(fù)合材料的TG曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，固體氟橡膠和復(fù)合材料在400 ℃以下都具有良好的穩(wěn)定性，這是由于液體氟彈性體和氟橡膠主鏈都是含氟的碳鏈結(jié)構(gòu)，強(qiáng)極性的氟原子與碳原子形成了鍵能極強(qiáng)的碳-氟鍵，這種分子鏈?zhǔn)蛊渚哂辛己玫臒岱€(wěn)定性。

2.5 耐油性能

將不同液固比復(fù)合材料浸泡在25#變壓器油中（浸泡條件為70 ℃×168 h），考察其質(zhì)量變化率。結(jié)果表明，液固比為0/100，5/95，10/90和15/85的復(fù)合材料質(zhì)量變化率分別為2.2%，2.4%，2.5%和2.8%。

可以看出，與未添加液體氟彈性體的復(fù)合材料相比，添加液體氟彈性體的復(fù)合材料的質(zhì)量變化率小幅增大。分析認(rèn)為，與固體氟橡膠相比，液體氟彈性體的相對(duì)分子質(zhì)量較小，在相同條件下與溶劑分子發(fā)生溶脹作用較大，因此隨著液體氟彈性體用量的增大，硫化膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)間的油介質(zhì)分子也更多，溶脹作用也更明顯，但總體差別不大。

2.6 阻尼性能

氟橡膠在電力設(shè)備中常被用作阻尼減振材料，不同液固比復(fù)合材料的阻尼性能如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著液體氟彈性體用量的增大，復(fù)合材料的tanδ峰值小幅減小，tanδ峰值對(duì)應(yīng)溫度略向低溫方向移動(dòng)；與未添加液體氟彈性體的復(fù)合材料tanδ峰值（1.05）相比，液固比為15/85的復(fù)合材料tanδ峰值減小到0.97，小幅減小7.6%，而tanδ峰值對(duì)應(yīng)溫度也降低了約3 ℃。分析認(rèn)為，與固體氟橡膠相比，液體氟彈性體的相對(duì)分子質(zhì)量較小，在復(fù)合材料中類似增塑劑，在分子鏈運(yùn)動(dòng)中可以起到潤(rùn)滑作用。但另一方面，由于液體氟彈性的分子鏈結(jié)構(gòu)與固體氟橡膠相同，在硫化過(guò)程中，液體氟彈性體大部分分子鏈進(jìn)入到交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，限制了其分子鏈的滑移和運(yùn)動(dòng)，因此，與普通小分子增塑劑相比，液體氟彈性體的加入對(duì)復(fù)合材料的阻尼性能影響不大。

3 結(jié)論

（1）與固體氟橡膠相比，添加液體氟彈性體的復(fù)合材料加工性能顯著提高。

（2）隨著液體氟彈性體用量增大，復(fù)合材料的硬度、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度降低，但降幅不大。

（3）氟橡膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，添加液體氟彈性體對(duì)復(fù)合材料的耐熱性能影響不大。

（4）與固體氟橡膠相比，添加液體氟彈性體的復(fù)合材料在油中浸泡后的質(zhì)量變化率增大，但增幅不大。

（5）與固體氟橡膠相比，隨著液體氟彈性體用量增大，復(fù)合材料的tanδ峰值小幅減小，tanδ峰值對(duì)應(yīng)的溫度略向低溫方向移動(dòng)。

總的來(lái)看，與固體氟橡膠相比，添加液體氟彈性體的復(fù)合材料的加工性能明顯提高，物理性能、耐熱性能、耐油性能和阻尼性能略有降低，但變化不大；液固比為5/95的復(fù)合材料綜合性能 較好。