河北氟橡胶包尼龙胶水能实地查看吗
特殊环境下的应用挑战
航天领域要求胶水在-55℃至230℃极端温度循环(100次)后仍保持密封性;深海设备需耐受70MPa静水压且防微生物附着;核电站用胶水要抗γ射线辐照(累计剂量>100kGy)。这些场景推动特种配方发展:添加聚酰亚胺纤维可提高高温尺寸稳定性;含氟硅烷的配方能抵抗高压渗透;苯基氟橡胶基胶水具有最优的耐辐照性。此类特种胶水价格可达常规品10倍以上,但能解决关键设备的"卡脖子"密封问题。
本标准规定了热硫化氟硅橡胶生胶产品的性能要求、试验方法、检验规则以及标志、包装、运输和贮存。本标准适用于以1,3,5-三甲基-1,3,5-三(三氟丙基)环三硅氧烷为主要原料,经本体聚合制得的分子量为60-120万及120万以上的的热硫化氟硅橡胶生胶。
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1 氟橡胶的主要性能
①物理性能: 氟橡胶具有较好的力学性能, 有较好的拉伸强度和硬度, 但常态下的弹性较差。
②耐热性: 氟橡胶有很好的耐热性, 26型氟橡胶可在250℃下长期工作, 在300 ℃可短期工作。
氟橡胶性能随温度的变化大于硅橡胶, 其拉伸强度和硬度均随温度升高而明显下降, 至250~ 260℃时,下降趋势减缓。
⑧耐腐蚀性能: 氟橡胶有很高的化学稳定性, 是弹性体中耐介质的一种;它对有机液体各种烃类有良好的抗耐性, 仅仅不耐低分子的酯、醚、酮及部分胺类化合物。
④耐过热水、蒸汽的性能: 过氧化物硫化的氟胶优于胺类、酚类化合物硫化的氟橡胶。
⑤抗压缩变形性能: 据统计, 50%以上的氟橡胶用于密封制品,压缩变形是一个主要性能。美国杜邦公司一直致力于改进压缩变形性能, 其产品204℃ ×70h压缩变形在1964年时大于80% , 至1973年已有大幅度的降低达13%。
⑥耐寒性能: 26型氟橡胶的耐寒性能较差,其保持弹性的限温度为- 15~ -20℃。美国杜邦公司开发的VitonGLT, 其低温性能得到很好的改进, 可适用于- 54℃下的密封,是阿拉斯加油田用的低温密封材料。特定的温下的密封, 有时也用氟橡胶。
⑦气透性与真空性能: 氟橡胶有很低的透气性, 在高温、高真空条件下,具有小的气 体挥发量( 失重) , 因此, 它的耐高真空性能好。
⑧耐侯、耐臭氧性能: 氟橡胶对日光、臭氧和天候老化十分稳定。硫化胶经过10 年的自然老化, 还保持很好的性能。
⑨耐燃性能: 氟橡胶与火接触能燃烧, 但离开火后即熄灭, 它属于自熄橡胶。氟橡胶的氧指数为61~ 64。
2 氟橡胶的配合和加工要点
氟橡胶的加工配方比较简单, 主要由生胶、吸酸剂、硫化剂、补强剂组成。
2.1生胶
国外生胶品种多,门尼粘度适中, 供选择的余地大。国内在这方面的差距较大。
2.2 吸酸剂( 稳定剂)
一般多用氧化物、氢氧化物, 其用量在5-10 份。加入品种根据胶料性能要求而定。加入氧化镁可得到耐热性好的胶料;加入氧化铅可得到耐水和耐酸性好的胶料;加入氧化锌和二盐基亚磷酸铅, 可得到流动性好的胶料, 其耐水性能好;加入氧化钙, 可得到低压缩变形的胶料;在酚类硫化体系中, 加入氢氧化钙和活性氧化镁, 可得到低压缩变形的胶料。
2.3 硫化剂
①胺类硫化剂: 国内多用3# 硫化剂,它易分散, 工艺性能较好,耐热性尚可,压缩变形较大, 胶料贮存期较短。国外已不采用此系统。
②酚类硫化剂: 胶料稳定性好, 工艺性能特好,硫化胶不抽边, 而且压缩变形很小, 是氟橡胶理想的硫化剂。
⑧过氧化物硫化剂: 采用DCP+ TAIC硫化, 具有较好的工艺性能, 可得到高强度的胶料。其耐腐蚀性好, 但压缩变形大。
2.4 补强填充体系
氟橡胶属于自补强橡胶, 补强填充剂主要是用于改进工艺性能、降低成本和提高硬度、耐热性和压缩变形性能等。下面列举一些补强填充剂的性能。
①N990炭黑和喷雾炭黑
N990 炭黑是氟橡胶理想的补强填充剂,它具有较大的填充量。一般可加入25~30 份,情况可加入60 份。可得到较好的综合性能, 压缩变形小, 而且可降低成本。喷雾炭黑是国内惯用的补强填充剂。加入量一般不高于20 份, 它的硫化胶的硬度偏高,而且压缩变形大, 工艺性能差。
②其他填料
白炭黑: 氟橡胶加入白炭黑, 工艺性能差, 硫化胶的耐热和压缩变形性能差。
无机填料: 氧化钙可加入20~35份,其耐热性能好于炭黑和其他填料,碳酸钙可获得好的缘性,硫酸钡可获得低的压缩变形, 用量为20~40份。
碳纤维和硅酸镁纤维( 针状滑石粉) 均能提高氟橡胶的强度和耐热性能。碳纤维可提高硫化胶的导热性。
2.5加工助剂
氟蜡、低分子聚乙烯、SL- 1加工助剂可保持稳定的脱模效果。美国耀星公司的WS280 是氟橡胶加工助剂。它在高温时的挥发性低, 可提供良好的脱辊性, 胶料流动性好, 而且减少模具污染。经我们试用,效果很好。
2.6金属粘合剂
试验表明, 白的氟胶料比黑胶易与金属粘合;酚类硫化的氟胶比胺类硫化胶易与金属粘合。
过去惯用开姆洛克的CH- 607 作为粘合剂,近两年来, 我们采用CH- 5150,使用效果很好, 比CH- 607 稳定、。
3#硫化剂的氟胶料, 我们用过上海华明橡塑制品厂配制的粘合剂, 其粘合强度都大于5MPa。
2.7胶浆的配制
氟橡胶胶料可溶解于乙酸乙酯和丙酮等溶剂。一般氟胶胶浆的配制如下: 混炼胶:溶剂=1:4。
2.8关于混炼工艺
氟橡胶的导热性差, 混炼生热大, 容易导致粘辊或焦烧。为此, 要强化冷却,并适当减少混炼装胶容量( 减少30%左右)如14 英寸炼胶机的容量为5~ 8kg。
加料顺序: 生胶上辊→加工助剂→吸酸剂→补强填充剂→硫化剂。
要注意的是硫黄不能混入氟胶胶料,即使是0.2 感量也会对胶料硫化产生严重的影响。
另外, 混炼胶不能接触水,少量的水能使氟胶胶料产生焦烧, 这是应该严格控制的。
下表是氟橡胶配方举例。分别列出国产氟胶、日本大金公司和美国3M公司氟胶的配方组成。
3结论
氟橡胶经40多年的开发应用,已经成为重要的耐热、耐介质弹性材料。26型氟橡胶制的0形图在200 ℃可连续工作10000小时以上, 在230℃下可工作3000小时, 在260℃下可工作1000小时。它是一种耐高温、长寿命的橡胶产品, 已在各领域广泛应用, 得到各方面的。
目前, 我国氟橡胶无论在产量和质量上,和国外尚有较大差距。例如, 上海3F公司的26B氟橡胶在100℃,ML1+5门尼粘度为100-140, 而日本大金公司G751氟胶在100℃,ML1+5门尼粘度为52, 其加工性能和弹性都较好。从物理性能看, 大金公司产品的力学性能和老化性能均优于我国3F公司。但3F公司的氟橡胶采用酚类硫化体系和N990炭黑之后, 性能也保持在较高的水平上, 同时国产氟橡胶一直以它的价格优势吸引着国内外的广大用户。
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是氟硅生胶在加入硫化剂和各种补强填料后经硫化即得到,一般所说的氟就是指全氟氟硅橡胶。
氟硅橡胶种类繁多,现已大规模生产的氟硅橡胶主要是以γ-三氟丙基甲基硅氧烷为结构单体的聚合物,同时也研制出了以FEM26、FEM2802、SKTFT-50为代表的共聚氟硅橡胶,氟硅橡胶按硫化机理可分为自由基型(用过氧化物硫化)、缩合型和加成型;按硫化温度可分为高温硫化型和室温硫化型,室温硫化型又分为单组分型和双组分型。
氟硅橡胶是一种改性硅橡胶,即硅橡胶的硅氧烷侧链上的甲基被r—三氟丙基所取代的产品。具有优良的耐油、耐溶剂性能,对于脂肪族,芳香族和氯化烃溶剂,对石油基的各种燃料油、润滑油、液压油及某些合成油(如二酯类润滑油、硅酸酯类液压油等)常温和高温下的稳定性都很好,并还能保持弹性。在浸油条件下,*高使用温度可达180℃。在常温和高温下的稳定性都很好,能在-70℃~+200℃范围内长期使用,250℃下短期使用。
氟硅橡胶兼有硅橡胶的耐高低温性能,优良的电性能及回弹性能和的耐油、耐溶剂、耐饱和蒸汽的特性,是目前**能在-68~230℃的燃油介质中使用的弹性体,聚硫橡胶耐高温达1 0 0 ℃ ,丁腈橡胶达1 3 0℃ ,而氟硅橡胶耐高温可达1 8 0 ~ 2 3 0 ℃, 其优势不言自明。高温下氟硅橡胶的物理机械性能要好于氟橡胶,而室温下氟橡胶的物理性能又好于氟硅橡胶2倍, 在 1 5 O ℃时 ,两者的性能相等。到2 0 0 ℃时 ,氟硅橡胶的物理性能却好于氟橡胶2倍,在2 3 O ℃时更是惊人地好于氟橡胶4 倍之多。②但与硅橡胶相类似,氟硅橡胶强度较差,表面能低,属于较难粘接的材料,具有加工困难等缺陷,
氟橡胶(FKM)因具有耐油、耐高温、耐溶剂、耐强酸、耐强氧化剂、阻燃、耐老化等一系列优良的特性,所以在国防军工、航空航天、电子通信、车辆船舶、石油化工等尖端技术领域获得了广泛的应用。是近几年老,随着上述相关行业的高速发展和技术进步,FKM作为一种不可替代的高性能弹性体材料,不仅在需求上有了大幅度增加,而且其用途也正在不断地扩大。
从技术的角度来讲,尽管FKM从基础研究到应用研究都取得了很大的进展,但在一些的使用场合,目前人们更为关注的还是FKM的低温特性、压缩永久变形性、耐碱性、耐含甲醇汽油性、耐强氧化剂性、低抽出性、低毒性等问题。
因此,本文将针对上述问题,就具有这些特性的FKM胶料的配合技术作一介绍。
一、FKM的种类、结构和特点
具有代表性的FKM的种类、结构和特点见表1。对FKM来讲,因其聚合物结构和所用硫化体系不同,所以硫化胶的性能也各有差异。为了使FKM能够满足各种苛刻条件下的使用要求,所以除选择适宜的品级外,在胶料的配合上加以改善也是十分必要的。
表1 FKM的种类、结构和特点
种类
特点
用途
二元类PKM
耐热性
油封、衬垫、软管
三元类FKN
耐油性
含有全氟乙烯醚的PKM
耐品性、低温特性
全氟醚PKM(FFKM)
耐品性、耐热性、低温特性、氧化稳定性、低渗透性
O形圈、衬垫(半导体、化工、航空航天)
TFE-丙烯类PKM
耐品性(无机酸碱)、耐热性
油封(耐添加剂)
氟类热塑性弹性体
热塑性、低抽出性和透明性
O形圈、胶管(医疗、食品)
氟硅橡胶(FVMQ)
低温性、耐油性
密封件、膜片
氟类液体橡胶
低温性、耐油性
密封件、膜片
羧基亚硝基FKM
低温性、耐强氧化剂性(N2 O4 等)
密封制品
全氟三嗪橡胶
热稳定性(长期使用温度300℃),但低温性较差,对浓酸稳定,耐碱性很差
密封制品
氟化磷腈橡胶
低温性、耐油性、耐溶剂性、耐酸碱性
密封制品
聚二氟硫酰橡胶
耐磨性(相当NR的16倍)、低温性
目前,构成市场主导品种的是偏氟乙烯(VDF)与六氟丙烯(HFP)共聚的二元类FKM,其组成为:VDF摩尔分数80%,氟质量分数约66%,Tg为-20℃。近年来,共聚入四氟乙烯(TFE)、减少VDF含量(提高氟含量)的三元类FKM的需求明显有所增加。对三元类FKM来讲,氟含量愈高、耐品性、耐腐蚀性、耐油性、耐燃油渗透性就愈好,但低温特性会变差。目前,市售的FKM各品级的低温特性见表2。作为改善低温特性的品种,除共聚了全氟乙烯醚的FKM外,还有含氟硅类(FVMQ)和主链中含有六氟丙烯氧化物单元的FKM。
表2 FKM主要品级的低温特性
制造公司
品级
脆性温度/℃
三爱富
2463
-28
2462
-25
2603
-25
晨光
2463
-26
3M
FC-2174
-25
FEC-16241A
-42
FEC-16227A
-40
杜邦
GFLT-301、601、501
-24(TR)
GFLT-305、505、506
-30(TR)
大金
G716、G723
-24~-25
由于VDF单元遇碱性化合物容易引起脱氟酸反应,所以三元类FKM的耐碱性是有限的。在接触有机胺化合物或强碱性水溶液的场合,适用的是TFE/丙烯(Pr)共聚的四丙氟橡胶或TFE/全氟乙烯醚共聚的FKM。在含有VDF的品级中,耐碱性较好的是分子中不含HFP而含乙烯醚的FKM。其次,则是VDF含量低、氟含量高的三元类FKM。不过,通过四丙氟橡胶与三元乙丙橡胶(EPDM)共混来改善耐碱性也是十分有效的。
在接触强氧化剂(N 2 O4 、发烟硝酸等)的场合,则可选用羧基亚硝基FKM或全氟醚型的FKM。
二、FKM用配合剂的选择
1.吸酸剂
对胺硫化及多元醇硫化来讲,吸酸剂是的配合剂。当吸酸剂与氟酸反应并生成氟化物时,即使使用一种金属氧化物,如MgO、Ca(OH) 2 、CaO、Zn0、PbO等都没关系,但在要求耐热性和低压缩永久变形的胶料中,好是用高活性的MgO。对于厚制品,可在胶料中使用一定数量的Ca(OH)2 、CaO的配合可消除胶料中产生的气泡,同样也具低压缩永久变形这一特点。在要求耐酸性、耐水性的场合,则需要配合一定数量的PbO。但出于方面的考虑,近年来有禁用铅化物的趋势,这对要求耐酸性、耐水性的制品来讲,采用过氧化物硫化体系是解决这一问题的有效方法之一。在多元醇硫化体系中,作为吸酸剂,当使用PbO时不仅制品表面无光泽,而且在溶胀、蒸汽条件下的压缩永久变形也比较大。
对多元醇硫化体系来讲,当含有Ca(OH) 2 吸酸剂的胶料在空气中放置时,就有可能吸收水分和CO2 ,降低吸酸剂的反应性,而水分则会提高其反应性,这样就会进一步地影响到硫化速度。另外,有时也会因聚集而出现分散不良的现象,因此好使用充分干燥或表面处理过的材料,这样就可辊筒的污染(吸酸剂附着在辊筒表面)。
2.填充剂
FKM用填充剂的主要目的不是为了补强,而是为了调节硬度、降低成本等。对HAF这样的补强性炭黑来讲,因对硬度的提高幅度较大,不宜高填充,所以通常主要使用的是大粒径的非补强性炭黑(如喷雾炭黑、中粒子热裂法炭黑)。在要求耐磨性、着或考虑成本的场合,则可使用白炭黑、硅酸钙、硅酸镁、硅酸铝、碳酸钙、滑石粉、聚四氟乙烯、炭纤维、石墨、二硫化钼、氮化硅、硫酸钡、氟化钙等。是对于注重泽的制品,多数是在以硫酸钡为基础的混合物(配有5份覆盖力强的TiO 2 )中添加颜料后制造的。就硫化体系而言,由于多元醇及胺硫化体系在硫化时可使橡胶本身着,所以对要求泽明亮的制品好是用过氧化物硫化体系的FKM。在上述填料中,二硫化钼、炭纤维、滑石粉、石墨、聚四氟乙烯、氮化硅、氮化硼对提高耐热性、减小摩擦系数是有效的,但在一定程度上均会降低硫化胶的物性(5%左右)。对于碳酸钙、硫酸钡、硅酸钙、氟化钙等无机填料,挤出、模压、耐热性较好的是氟化钙,但压缩永久变形较差。硅酸钙的耐热老化性优于氟化钙,硫酸钡的综合性能也不错。
3.增塑剂和加工助剂
一般来讲,在FKM胶料中是不用增塑剂和加工助剂的。因为FKM制品的使用条件为苛刻,能够使用的增塑剂和加工助剂十分有限,这也是注重物性超过注重加工性能的主要原因。当在FKM中使用加工助剂时,不仅会使压缩永久变形增大,而且还会导致耐热性下降。此外,因低分子聚乙烯与过氧化物具有反应性,所以在过氧化物硫化体系的FKM中配合是不适宜的。就脱模剂而言,除可用有机硅类和氟类脱模剂外,作为内脱模剂也可在胶料中配合少量的脂肪族胺或脂肪酸酰胺化合物,但同时也会带来与加工助剂同样的结果(压缩永久变形增大,耐热性下降)。而且,因内脱模剂在硫化时会迁移到橡胶表面,所以对硫化体系与加工助剂的协同效果也会产生一定的影响。
三、FKM的各硫化体系及其特点
FKM的硫化,通常可分为胺硫化、多元醇(双酚)硫化和过氧化物硫化三种类型。胺硫化体系和多元醇硫化体系是以胺或镍盐(铵盐等)为催化剂,通过二胺或双酚化合物与脱氟酸(氟化氢)反应形成的双键加成进行硫化的。但无论是哪一种硫化体 系都要中和产生氟酸,因此配合吸酸剂(金属氧化物)是十分必要的。其各硫化体系的特点见表3。
表3 FKM各硫化体系的特点
项目
胺硫化
双酚硫化
过氧化物硫化
硫化剂
二胺
双酚AF
TAIC
促进剂
不需要
四价铵盐
有机过氧化物
的配合剂
金属氧化物(MgO)
金属氧化物[MgO及Ca(OH)2 ]
不需要(当交联点为Br时,添加金属氧化物,有时会加快硫化速度)
氟含量与硫化特性
提高氟含量会降低硫化性能
与氟含量无关
硫化胶特点
(1)硫化速度快
(1)压缩永久变形小
(1)耐品性、耐蒸汽性优良
(2)机械强度高
(2)焦烧稳定性好
(2)金属洗提成分少(无吸酸剂时)
(3)粘合性优良
(3)脱模性好
(3)机械强度高
(4)压缩永久变形大
(4)模具污染性小
(4)抗屈挠性好
(5)耐热性良好
(5)不需二段硫化
主要用途
油封、膜片、涂料、厚制品
O形圈、衬垫、软管、胶板、油封
膜片、油封、耐酸和耐蒸汽用密封件
基本配方
生胶
100
生胶(含硫化剂)
100
生胶
100
MT炭黑
20
MT炭黑
20
MT炭黑
20
MgO(低活性)
15
MgO(低活性)
3
TAIC
4
硫化剂V-3①
3
Ca(OH)2
6
过氧化物②
1.5
注:①N,N′-双肉桂叉-1,6-己二胺;②2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷。
1.胺硫化与多元醇硫化
就胺硫化体系而言,为了赋予硫化剂在混炼时的焦烧稳定性,在配合体系中可以以胺盐的方式使用。实际上,从加工稳定性与硫化胶物性的均衡来讲,己二胺氨基甲酸盐、乙二胺氨基甲酸盐、环己二胺氨基甲酸盐等都可以使用。由于二胺硫化剂具有脱氟酸催化剂的作用,所以不需要使用的催化剂。但在多元醇硫化体系中,因硫化剂本身不具有催化剂的作用。所以作为与镍盐的共催化剂配合一定数量的氢氧化钙是十分必要的。
作为硫化剂,也可使用对苯二酚、双酚A等双酚合化物,但从耐热性考虑,双酚AF是较为理想的一种硫化剂。是双酚AF/苄基三苯基氯化磷这一硫化体系,对改善FKM硫化胶的压缩永久变形是有效的。不过,目前多数FKM制造厂是将其镍盐及双酚AF与FKM以预混物的方式提供用户的。
2.过氧化物硫化
对过氧化物硫化来讲,目前主要的品级是在分子中作为交联点预先导入碘或溴的FKM,但各公司的品级其构成是不同的。关于硫化机理,作为助硫化剂的多官能不饱合化合物(TAIC)与FKM的交联点是通过有机过氧化物产生的自由基进行反应、硫化的。因不需要吸酸剂,所以是耐水性、耐酸性优良的硫化体系。而且由于不会因吸酸剂而促进脱氟酸反应,所以耐碱性也优于多元醇硫化体系,并可解决多元醇硫化体系有时会出现的龟裂等问题。
在半导体制造装置用密封材料的用途中,洗提金属的问题正在不断增加,而过氧化物硫化体系硫化的FKM将成为解决这一问题的方法之一。另外,即使配合吸酸剂也不会影响硫化特性,所以为赋予粘合性和耐热性,也可配合适量的氧化锌、氢氧化钙等配合剂。
目前,在国产FKM的胶料中主要使用的是N,N′-双肉桂叉-1,6-己二胺(3 # ),双酚AF和过氧化物三种硫化剂,其各品级适用的硫化剂见表4。
表4 国产FKM各品级适用的硫化剂
品级
门尼粘度
硫化剂
加工方法
FE2601
45~75/ML(+10)121℃
3# 、双酚AF
模压、挤出
FE2602
130~180/ML(1+10)121℃
3# 、双酚AF
模压
FE2603
60~100/ML(5+4)100℃
双酚AF
模压、挤出
FE2604
101~129/ML(5+4)100℃
3# 、双酚AF
胶浆涂刷
FE2605
20~40/ML(1+4)121℃
双酚AF
注射成型
FE2461
50~70/ML(1+4)121℃
双酚AF
注射成型
FE2462
80~100/ML(5+4)100℃
3# 、双酚AF
模压
FE2463
50~80/ML(5+4)100℃
双酚AF
模压、挤出
FE2701
70~110/ML(5+4)100℃
有机过氧化物
模压、挤出
FE2311
-
-
模压
FE246D
-
3#
胶浆、涂刷
四、结语
以上,本文就FKM配合技术的进展进行了介绍。尽管涉及到的问题主要是与生胶本身的结构和特性有关,但通过与其它橡胶(NBR、VMQ、ACM等)共混及选用新型功能性材料等手段,在配合上加以改善也是有效的。
FKM是具市场发展潜力的一种高性能弹性体材料,但从基础研究到应用研究在技术上与国外相比还有较大的差距。其主要表现在以下几个方面:
(1)生胶品种少。是耐低温、耐碱性、耐强氧化剂、耐含甲醇汽油性、可有机过氧化物硫化、低粘度等胶种的开发;
(2)配合技术落后。由于原材料品种单一,可选择的余地较小,所以定型的胶料配方并不多;
(3)加工技术及设备急待改进。由于实现注射成型加工,所以产品质量稳定性差、生产效率也比较低;
(4)科研经费不足。FKM有不少重要的课题急待研究和开发,但遗憾的是因经费问题而有许多高级技术人员只能无奈地从事着与操作工同样的搬模具的工作;
(5)人才断层。随着科研体制、分配体制的变化,自1985年以后,就已经出现了人才脱节、断层的现象。是近几年,这一问题尤为突出,甚至有不少年青的、高学历的技术人员,目前还在重复着70-80年代已经完成的基础性研究课题的工作,这样不仅造成了人力、财力和资源的大浪费,而且对人才培养、技术都是不利的。
因此,期望管理层或有识之士能够关注我国有机氟工业的发展,尽快缩小与国外公司(杜邦、3M、大金等)在技术上的差距,因为我们拥有自己的技术和材料,是在国防高科技领域应用的技术和材料。当然,FKM的制造厂家、加工厂家与用户的密切配合也是重要的。
耐热性
氟硅橡胶的高温分解与硅橡胶一样,即:侧链氧化、主链断裂、侧链热分解和引起各种复合反应。由于分解产物也会引起主链断裂,所以耐热性通常比硅橡胶要差一些,在200℃的温度下已开始氧化老化。但通过添加铁、钛、稀土类氧化物等少量的热稳定剂便可使其获得显著的改善,即使在250℃高温下也具有的耐热性。
温度对氟硅橡胶影响比硅橡胶大,但比氟橡胶小。国外还研究了氟硅橡胶在150℃×2000h、175℃×5000h、200℃×4000h条件下的使用寿命,其结果是仅次于甲基乙烯基硅橡胶。
耐寒性
氟硅橡胶与普通硅橡胶一样,低温性能良好。由于氟硅橡胶是以柔软的Si-O为主链构成的线型高聚物,所以低温特性优于以C-C为主链的氟橡胶。其中,氟硅橡胶(LS-2370U)的低温特性,脆性温度低达-89℃,而一般的氟橡胶约为-30℃。
电性能、耐辐射性能
氟硅橡胶的电性能与普通硅橡胶相近,但可贵之处是在高温、低温、潮湿、油、溶剂、化学品、臭氧等苛刻条件下的变化很小。
氟硅橡胶的耐辐射性能并不突出,但耐辐射老化性能优于甲基乙烯基硅橡胶。
物理机械性能
氟硅橡胶与普通硅橡胶一样,硫化胶的机械强度(是撕裂强度)比较低。因此,改善和提高氟硅橡胶的强度也是一个重要的研究课题。
美国道康宁(Dow Corning)有机硅公司很早就开发出了高强度、高抗撕氟硅橡胶(US-2332U)。中国对高性能氟硅橡胶的研究主要集中在20世纪80年代,尽管从基础研究到应用研究都取得了一定的进展,但与国外相比还存在着不小的差距。
其他特性
氟硅橡胶的耐天候老化性优良,即使暴露5年后,仍保持有良好的性能。臭氧是弹性体老化时生成*多的气体之一,但氟硅橡胶通过动态或静态试验后都未发现有龟裂或裂纹的现象。
此外,氟硅橡胶的防霉性、生理惰性、抗凝血性也是十分良好的。
氟硅橡胶的加工工艺
混炼
氟硅橡胶虽属固体,但可塑度高,不需塑炼,可直接采用开炼机或密炼机进行混炼。其加顺序或混炼工艺过程如下:
生胶(氟硅橡胶+少量硅橡胶)→白炭黑+结构控制剂+加工助剂→倒胶、薄通(5次)→热处理→返炼+交联剂→薄通(8~10次)→出片、停放(12h以上)→待用
当采用开炼机混炼时,*好在开炼机辊筒上方装备防尘或抽风装置,以减少白炭黑的飞扬。在混炼过程中不得有其他杂质或胶粒混入,温度应控制在40℃以下,开足冷却水。开炼机混炼吃粉较慢,每批胶料的混炼时间约在20~40min之间。装胶随开炼机规格而定,一般Φ160mm×320mm的开炼机为1~2kg, Φ250mm×620mm的为5~8kg。
至于采用密炼机混炼,不但可以提高生产效率、降低劳动强度,而且还能够减少白炭黑的飞扬和改善操作环境。密炼机混炼的加顺序基本与开炼机相似,但对加间隔时间的要求并不严格。每批胶料的混炼时间约为8~18min,密炼机的填充系数应控制在0.7~0.75的范围较为适宜。排胶温度与填料种类有关,通常应控制在50℃~70℃的范围。
热处理
当采用未经表面改性的气相法白炭黑作为补强剂时,胶料中加入结构控制剂。因此,胶料的热处理也就成为一道的工序。
热处理的目的主要在于:使结构控制剂与白炭黑进一步结合;消除低分子挥发物。一般来讲,热处理的条件为160℃~200℃×1~1.5h。
过滤
对挤出制品、压延制品、涂胶制品、膜片制品来讲,机械杂质和未分散的配合剂粒子是导致产品出现质量问题的主要因素之一。因此,对上述制品所用的胶料进行过滤。过滤时可采用滤胶机,也可用普通挤出机替代。机筒、螺杆的温度应控制到*低,滤网规格以120~200目为宜。
返炼
胶料经停放后,因凝胶含量增加、可塑性降低,所以使用时进行返炼。胶料返炼应适可而止,返炼不足,胶料柔软性差,表面不平整;而返炼过度,则胶料表面会发粘,不利于操作,对氟硅橡胶更是如此。
硫化
氟硅橡胶不同于其他普通橡胶,硫化是分一段、二段两次完成的。一段硫化时间短(1.5~15min),仅能使制品达到定型的程度;经过二段硫化(3~6h)后才能够达到硫化,硫化胶的各项物性才能够趋于稳定。
模型硫化*适用于O形圈、皮碗、膜片、油封、衬垫、护套等制品的加工;常压热空气硫化和加压蒸汽硫化主要是用于胶管、胶带、胶布、胶绳、电线电缆覆盖层等挤出制品、压延制品、涂胶制品的加工。硫化所用设备可根据制品类型选择,硫化条件可根据制品规格、厚度、硫化体系来确定。其模压制品和挤出制品的一段硫化条件分别见表1、表2所示。
表1模压制品的一段硫化条件
表2挤出制品的一段硫化条件
氟硅橡胶的应用
氟硅橡胶是兼具硅橡胶和氟橡胶两者特性的弹性体材料。与甲基乙烯基硅橡胶相比,*大的优点是耐油、耐溶剂性;而与氟橡胶相比,尽管在耐烷烃溶剂方面的差别甚微,但耐芳烃溶剂性优于氟橡胶,它的良溶剂只有性大、小分子的酮类。氟硅橡胶的耐热性、耐寒性、压缩变形性更优,而且物性对温度的依赖性较小,从低温到高温都显示出了优良的性能。其次,即使不使用增塑剂也可制得低硬度的制品。因此,氟硅橡胶作为一种新的高性能弹性体材料正在广泛地应用。
氟硅橡胶的应用主要在航空航天、车辆船舶、电子通信、精密仪器、石油化工和医疗卫生等领域,但目前巿场需求量*大的还是火箭、卫星、汽车、飞机制造业。
航空薄膜:油箱调压管路中活门用膜片、油箱通气活门用膜片(在-55℃~200℃的煤油蒸汽和150℃的RP煤油中使用的氟硅橡胶涂层与聚酯布作骨架材料的夹布薄膜);
静、动态密封件:垫圈、皮碗、活门;
汽车制品:燃油水平指示传感器软管、雾化器油泵隔膜、燃油泵隔膜、波纹护套、发动机曲轴后密封圈、气缸垫、燃油泵密封件、油箱盖垫圈、油箱加油垫圈、滤油器密封件;
其他:耐氟氯油、耐氟溴油、耐三氯联苯、耐H2S溶液、耐液氮等密封件。
4、氯醇橡胶的耐热性
氯醇橡胶的分子链高度饱和,因此其耐热性较好。其耐热性比丁腈橡胶高。在共聚氯醇橡胶(HCO)中,随环氧乙烷含量增加,共聚氯醇橡胶的耐热性降低,在以环氧氯丙烷、环氧乙烷和烯丙基缩水甘油醚三元共聚的氯醇橡胶中,随烯丙基缩水甘抽醚含重增加,共聚胶的耐热性提。
5、丙烯酸酯橡胶的耐热性
丙烯酸酯橡胶是由丙烯酸乙酯或丙烯酸丁酯与少量2-氯乙基乙烯基醚或丙烯腈共聚而制得的橡胶。其耐热性高于丁腈橡胶,低于氟橡胶,长期(1000h)使用温度为170℃,短时间(70h)使用温度可提高到200℃。在热老化过程中,通常以交联反应占优势,使定伸应力和硬度增加,拉伸强度和扯断伸长降低。但是有些丙烯酸酯橡胶热老化时则产生降解。各种类型的丙烯酸酯橡胶,在150℃下老化70h后差US不大。在200℃下则以Hycar401型丙烯酸乙酯橡胶为基础的硫化胶耐热性好。美国Dupont公司研制的乙烯丙烯酸甲酯橡胶(商品名为Varmc)的耐热性仅次于氟橡胶和硅橡胶。
6、氟橡胶的耐热性
氟橡胶是主链或侧链的碳原子上含有氟原子的一类橡胶,它具有的耐高温、耐氧化、耐油和耐化学品性,是现代工业不可缺少的耐高温弹性体材料。氟橡胶的品种很多,少有12种,按化学组成分类如下:
(1)含氟烯烃氟橡胶类
偏氟乙烯与三氟氯乙烯共聚物、偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯三元共聚物、四氟乙烯与丙烯共聚物、偏氟乙烯与五氟丙烯共聚物、偏氟乙烯、四氟乙烯与五氟丙烯三元共聚物
(2)全氟醚橡胶
(3)氟化磷腈橡胶
(4)全氟烷基三嗪橡胶
(5)氟硅橡胶
在氟橡胶中,全氟醚橡胶的耐热性,除全氟三嗪橡胶外,超过其他各种氟橡胶。因为它具有全氟结构,所以耐热性高。全氟醚橡胶在316℃下仍具有工作能力,在260℃空气中数千小时,在288℃下数百小时后仍能保持良好的强伸性能。
7、硅橡胶的耐热性
硅橡胶是橡胶中耐热等级高的一种橡胶,硅橡胶在空气中热老化时,发生交联,其扯断伸长率降低的程度比拉伸强度的降低程度大得多。硅橡胶耐干热空气老化性能,但不耐湿热老化。当空气中或试样中含有过量的水分时,硫化胶会发生强烈的降解。硅橡胶在315℃下老化24h后,硫化胶的强度基本不变, 而当湿度为180g/m2时,试样则被损坏。此外硅橡胶在空气不流通的密闭老化条件下也会发生强烈降解,使性能恶化。硅橡胶的耐热性主要取决于它的分子结构:甲基乙烯基硅橡胶和甲基苯基乙烯基硅橡胶,长期使用的高温度为250℃;而乙基硅橡胶,长期使用的高温度不超过200℃,。随硅橡胶中苯基含量增加,耐热性提高。例如亚苯基硅橡胶、亚苯醚基硅橡胶耐高温达300℃以上。在硅橡胶中,硼硅橡胶的耐热性好。这种硅橡胶可在400℃下长期工作,在420℃到480℃下可连续工作几小时。
8、耐热的丁腈橡胶新品种
氢化丁腈橡胶(HNBR)由于丁腈橡胶具有较好的耐油性和综合性能,所以它一直是耐油橡胶制品是密封制品中用量大的一种橡胶。但是丁腈橡胶属于二烯烃类橡胶,其分子链上的双键多、不饱和度高,因此对热和氧的稳定性差。一般丁腈橡胶的耐热性不高,长期使用温度为100℃;即使用过氧化物硫化的丁腈橡胶,其长期使用温度也只能在120℃,很难达到150℃。而氢化丁腈橡胶的耐热程度可达175℃,优于丁基橡胶和乙丙橡胶,介于丙烯酸酯橡胶和氟橡胶之间。
聚稳丁腈橡胶聚稳丁腈橡胶是丁二烯、丙烯腈与聚合型防老剂通过乳液聚合而制得一种丁腈橡胶。聚合型防老剂在聚合时能进入二烯烃的主链并与其反应成为聚合物分子的一部分。因为防老剂已经与聚合物结合在一起,所以不会因油、溶剂和热的作用而产生抽出、挥发、迁移等防老剂损耗的问题,从而改善了丁腈橡胶的耐热性,延长了使用寿命。由于结合性防老剂的作用,使其具有的耐老化性能,在有些场合可以代替氯醇橡胶和丙烯酸酯橡胶使用。与普通丁腈橡胶相比,更适用于耐老化性强的制品中。
丁腈酯橡胶由丁二烯、丙烯腈和丙烯酸酯在乳液中共聚合而得到的三元共聚物。丁腈酯橡胶具有良好的耐热性,配方、工艺与普通丁腈橡胶相似。可在煤油中于.-60到+160℃范围内长期使用,改善了丁腈橡胶的耐热性和耐寒性。
丁腈橡胶与三元乙丙橡胶共混由于EPDM的不饱和度很低,因而具有良好的耐热老化和臭氧老化性能。为改善含有大量双键的二烯类橡胶———丁腈橡胶的耐老化性能,使其与EPDM共混。但由于两者相容性不好,共硫化性很差,导致硫化胶的力学性能下降。为解决这一问题,人们进行了大量的研究工作,其中用马来酸酐(MA)接枝三元乙丙橡胶,然后再用接枝改性后的三元乙丙橡胶与丁腈橡胶共混,明显地改善了共混物耐热性和其他物理性能。
丁腈橡胶与氟橡胶共混近年来,为了提高丁腈橡胶的耐热性、耐酸性汽油和耐加醇汽油的性能,对丁腈橡胶* 氟橡胶共混进行了试验研究。选用超高丙烯腈含量(丙烯腈含量48)、门尼粘度较高的丁腈橡胶(例如JSR的T404)与门尼粘度较低的氟橡胶(例如VitonB-50)共混,得到的共混物是个丁腈橡胶/氟橡胶的非均相混合体系。为了降低材料成本,应尽可减少氟橡胶的配比,而又能形成氟橡胶连续相。通常可采用在共混物中添加增容剂的方法来解决。研究结果表明,在此共混体系中,使用乙烯基丙烯酸酯弹性体(Wamac)作增容剂可改善丁腈橡胶与氟橡胶的相容性。
耐热橡胶硫化体系
在设计耐热橡胶配方时,硫化体系的选择很重要。不同的硫化体系,形成不同的交联键,从而造成不同的硫化胶网络类型。
(1)—C—C—(过氧化物交联);
(2)单硫键—C—S—C—(低硫+高促+金属氧化物);
(3)二硫键—C—S—S—C—(低硫+高促+金属氧化物);
(4)多硫键—C—Sx—C—(高硫+促进剂+金属氧化物);
(5)多硫键+离子键(高硫+促进剂+金属氧化物)
各种交联键的键能和吸氧速度不同。键能愈大则硫化胶的耐热性愈好,吸氧速度越慢,硫化胶的耐热氧老化性能越好。
在常用的硫化体系中,过氧化物硫化体系的耐热性好。过氧化物在不同类型的橡胶中,脱氢反应中所需要的能量也不同。即使过氧化物自由基所赋予的能量相同,但交联密度也会有所不同。一般说来,硅橡胶、乙丙橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、乙烯—醋酸乙烯酯共聚物(EVA)氯化聚乙烯和聚氨酯橡胶,都可以用过氧化物充分硫化。过氧化物也可使丁腈橡胶达到满意的硫化,但过氧化物硫化天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶时则有问题;而丁基橡胶非但不能用过氧化物硫化,反会被过氧化物所分解。
单独使用过氧化物硫化三元乙丙橡胶时,存在交联密度低、热撕裂强度低、硫化返原等问题。因此用过氧化物硫化三元乙丙橡胶时,要避免单独使用有机过氧化物,好是用某些共交联剂或活性剂并用。例如加入少量硫黄能提高过氧化物硫化胶的力学性能,但其耐热性有所降低。而用其他共交联剂代替硫黄时,其耐热性不降低;这类共交联剂硼双马来酰亚胺、三烯丙基氰尿酸酯、对苯醌二肟、三烯丙基柠檬酸酯、六亚甲基二胺、TMTD等。例如使用对苯醌二肟作为三元乙丙橡胶过氧化物硫化的共交联剂时,只要配合0.2到1质量份,其硫化胶的耐热性就显著提高。
以往氯磺化聚乙烯橡胶用过氧化物硫化比较困难,很难得到交联密度高的硫化胶。如今采用三烯丙基氰尿酸酯或甲基丙烯酸酯或双马来酰亚胺作共交联剂,再并用少量EVA,就可达到有效的交联,制造出耐热性优良的氯磺化聚乙烯硫化胶,其耐热性能比通用硫化体系有明显的提高。从耐热性的角度讲,氯化聚乙烯,采用过氧化物和二烯丙基氰尿酸酯并用的耐热配合后,可以得到比氯磺化聚乙烯(以促进剂硫化)优良的耐热性。
有机硅改性的乙丙橡胶(SEP)用过氧化物硫化时,比促进剂硫化时的耐热性提高
10℃,比未改性的三元乙丙橡胶耐热性提高20℃。
用过氧化物硫化的丁腈橡胶,其耐热性优于有效硫化体系、半有效硫化体系和传统硫化体系。但不如用镉镁硫化体系硫化的丁腈橡胶。因为用过氧化物硫化丁腈橡胶时,虽然硫化胶的耐降解性,但在空气中长时间热老化时会发生交联。而用镉镁硫化体系硫化的丁腈橡胶,不生成热老化时能使橡胶交联的硫化副产物,因此能显著提高丁腈橡胶的耐热性。镉镁硫化体系的组成如下:氧化镉2到5质量份;氧化镁5质量份;二乙基二硫代氨基甲酸镉2.5质量份;促进剂DM 1,质量份。有资料报道,镉镁硫化体系对含稳定剂的特制丁腈橡胶有效。也有文献报道,含促进剂TMTD、DM、二硫代吗啡啉和抗氧剂4020各2份的丁腈橡胶的耐热性,比用过氧化物和镉镁硫化体系还好。
氯化丁基橡胶用硫黄硫化时,耐热性不好。用亚乙基硫脲硫化时,耐热性好,但因其有毒性,所以耐热性氯化丁基橡胶常用氧化锌、促进剂丁TMTD和DM4硫化;也可采用树脂硫化。不同硫化体系对氯化丁基橡胶耐热性的影响见表
丙烯酸酯橡胶可分为氯原子型、环氧基型、羧基型三大类,要根据各个类别来选择耐热的硫化体系。见表:
氯醇橡胶分子结构中没有双键,不能用硫黄或过氧化物硫化体系硫化。其硫化剂使
用金属氧化物或金属盐(氧化锌、氧化铅、碱式碳酸铅、碱式邻苯二酸铅),同时并用促进剂。使用氧化铅+ 亚乙基硫脲硫化体系时,耐热性较好。使用亚磷酸二铅或邻苯二甲酸二铅时,耐热性比氧化铅好。
氟橡胶用二元酚+ 苄基三苯基氯化磷或二元酚佃丁基氢氧化铵硫化时,其耐热性优于多胺交联的氟橡胶。采用过氧化物硫化时,并用共交联剂,如TATM(三烯丙基异氰
脲酸酯),这样可使氟橡胶的耐湿热性能提高。使用双酚A之类的芳香族二醇作为交联剂与季铵盐之类的助剂并用,进行多元醇交联,可以形成醚键,故耐热性优良。
填充体系对耐热的影响
一般无机填料比炭黑有的耐热性,在无机填料中对耐热配合比较适用的有白炭黑、活性氧化锌、氧化镁、氧化铝和硅酸盐。例如:在丁腈橡胶中,炭黑的粒径越小,硫化胶的耐热性越低;白炭黑则可提高其耐热性;氧镁和氧化铝对提高丁腈橡胶的耐热性有一定的效果。具有酸性基团的过氧化物,如过氧化二苯甲酰等,它们对酸性填料是不敏感的,而对那些没有酸性基团的过氧化物,如过氧化二异丙苯等,则有强烈影响,会妨碍硫化反应。酸性填料对烷基过氧化物(二叔丁基过氧化物等)的影响,要比芳香族过氧化物(过氧化二异丙苯等)小。碱性填料对含有酸性基团的过氧化物影响较大,也会使过氧化物分解。炭黑对过氧化苯甲酰的硫化有不良影响。炉法炭黑对过氧化二异丙苯几乎没有影响,而槽法炭黑因呈酸性而妨碍其硫化。
硅系填充剂一般呈酸性、会妨碍过氧化二异丙苯硫化,但对二叔丁基过氧化物没有什么影响。
软化剂对耐热的影响
一般软化剂的分子量较低,在高温下容易挥发或迁移渗出,导致硫化胶硬度增加、伸长率降低。所以耐热橡胶配方中应选用高温下热稳定性好,不易挥发的品种,例如高闪点的石油系油类,分子量大软化点高的聚酯类增塑剂、以及某些低分子量的齐聚物如液体橡胶等。耐热的丁腈橡胶好使用古马隆树脂、苯乙烯—茚树脂、聚酯和液态丁腈橡胶作软化剂。氯磺化聚乙烯橡胶可以采用酯类、芳烃油和氯化石蜡。以氯化石蜡为软化剂时耐热性较好。对于耐热的丁基橡胶,建议使用古马隆树脂的用量不超过5质量份,也可以使用10至20质量份凡士林或石蜡油、矿质橡胶和石油沥青树脂。乙丙橡胶通常采用环烷油和石蜡油作软化剂。