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表面处理对粘接效果的关键作用
氟橡胶的低表面能特性使其粘接前必须进行严格表面处理。机械处理包括喷砂(100-200目氧化铝砂)或砂纸打磨,增加表面积和机械嵌合;化学处理常用丙酮或专用清洗剂脱脂,去除脱模剂残留;等离子处理(功率50-100W,时间30-60秒)能引入活性基团,提高表面能至40mN/m以上。对于长期存放的氟橡胶件,还需进行表面氟化层去除处理。实验表明,经优化处理的表面可使粘接强度提升3-5倍,耐久性测试(如热油浸泡后)剥离强度保持率超过90%。
3. 氟橡胶的配合技术
一个氟橡胶的配方,一般是由生胶、吸酸剂、硫化剂、促进剂、补强填充剂、加工助剂等组成。
(1) 生胶
国产氟橡胶和国外的氟橡胶的性能基本相同,只是加工性能有些差异,国产胶的加工性能较差,主要是门尼粘度较高,相应影响胶料加工流动性差。
国产氟橡胶26相当于美国杜邦公司的VitonA,氟橡胶246相当于VitonB,国外的氟橡胶生胶,有不少已加好了硫化剂,美国3M公司和日本大金公司供应的氟橡胶已经加好了硫化剂。
(2) 硫化剂
硫化是使氟橡胶产生一定程度的交联,使其具有良好的使用性能。氟橡胶硫化可以采用亲核试
剂的离子加成机理进行,也可以以过氧化物或射线以自由基机理进行。
胺类化合物(1#、3#硫化剂)硫化氟橡胶,可以解决一般产品的要求;采用2#硫化剂,可以解决胶浆的加工。
在密封制品中,为使其有较小的压缩变形值,应优先选用酚类化合物作为硫化剂。如对苯二酚、双酚A、双酚AF等,并配用相应的促进剂,以适合高层次的性能要求。
在解决腐蚀介质的抗耐性上,建议采用过氧化物硫化氟橡胶。
(3) 吸酸剂
吸酸剂也称为稳定剂。它是为了解决氟橡胶加工过程产生氟化氢对金属的腐蚀和污染,使硫化反应顺利进行。Ca(OH)2等。一般采用
MgO、CaO、ZnO、PbO、二盐基亚磷酸铅,其用量一般在5 ~10份。它们的加入各有特点:MgO耐热性好; PbO
耐酸性好;CaO压缩变形小;对消除气泡有利;ZnO和二盐基亚磷酸铅,胶料流动性得到改善,耐水性好;Ca(OH)2压缩变形小,加入Ca(OH)2和活性MgO,在酚类硫化体系中,可得到低压缩变形的胶料。总之,要选择合适的吸酸剂,以满足实际性能的要求。
(4) 补强填充剂
氟橡胶是一种自补强性能的橡胶。由于性能要求和用途的不同,需要通过补强、填充体系进行调节,使其功能和成本适应用户的需要。一般用量在10-30份之间。目前常用的补强填充剂大致上有热裂法炭黑(N-990)、喷雾碳黑、白炭黑、硫酸钙、硫酸钡、氧化钙、炭纤维等。
用加拿大的N990炭黑或喷雾碳黑,在黑制品中均取得较好的加工工艺和相应的物理性能。
加入20份炭纤维的氟橡胶,胶料流动性好,加工硫化复杂形状产品之后,其外观好于N-990和喷雾碳黑,表面光滑。由于炭纤维的胶料导热系数大,适合高速运动橡胶件的使用。应该指明的是加入炭纤维的成本高,其伸长率低。
彩氟橡胶制品可以使用白炭黑、钛白、氟化钙、碳酸钙等,并配用相应的颜料即可得到相应的胶料。但是,在加工压缩型密封制品时,在选用彩原料时,要注意颜料与高温的合理匹配,还要控制胶料的压缩变形值,以使产品适应压缩下的工作需要。
(5)加工助剂
加工助剂是近年来氟橡胶加工的一大进步,它是在不影响胶料发挥的前提下,能改善氟橡胶的混炼工艺,焦烧,改进胶料的流动性和压出性能,并能在加工中粘辊、粘模,起到外脱模剂的作用。
在氟橡胶的加工中,已出现过氟蜡、低分子聚乙烯、硬脂酸锌、Ws280、棕榈蜡、模特丽935P等新的加工助剂,为氟橡胶的加工和应用提供了新的手段。它的加入量在1-2份。
4. 氟橡胶的加工工艺
氟橡胶的加工过程和使用设备、加工方法,和一般橡胶相同。由于它的结构特点,它的加工
性能较差,以下简要叙述一下。
(1) 塑炼:生胶在辊距0.3~0.5mm的开炼机薄通10次,包辊即可加入配合剂。
(2) 混炼:
容量:氟橡胶的容量比合成胶还要小。
63混炼机 500克
143混炼机 5000克
辊温:40-60℃
加料顺序: 生胶→吸酸剂→加工助剂→填充剂→硫化促进剂。
配合剂加完,均匀、薄通打三角包、打卷、放下后片。
(3) 硫化
一段 165-170℃ ×10min
二段 230℃×24h(要逐步加温,到230℃后,恒温记时。
5. 氟橡胶于金属粘合
金属件采用金属喷砂或盐酸浸泡,清洗干净,建议采用CHEMLOK5150或首立公司PC-22作为金属粘合剂。(详细操作可参考相应公司的规定)
6. 国内外氟橡胶的性能对比
表5是国内外氟橡胶的性能对比情况,可以看出,国产胶的试验数据与美国杜邦、3M、日本大
金公司及德国K.G.K所报道的数据比较接近,常态下的拉伸强度数据有较大差异,伸长率的波动范围基本一致。但是,在相同硬度下的伸长率,国产的数据低于国外的数值。
表5.国内外氟橡胶的性能对比
性能
铁岭
3M公司1
杜邦公司2
大金公司3
K.G.K4
苏联5
拉伸强度MPa
9-20
9-19
8.9-17.2
17.2
14.2
7.0
伸长率 %
130-180
100-500
100-300
250
228
225
硬度 (邵氏A)
65-95
65-95
70
76
70-85
撕裂强度 KN/m
18-35
压缩变形 %
(B法3.5mm O型圈)
23℃×70h
9-16
13
200℃×70h
18-80
10-30
20-70
20
26
200℃×24h
70-100
【1】《R、C、T》VOL55No3
【2】杜邦公司样本VT210·1 编号81/06
【3】大金公司样本
【4】《K.G.K》No2 P111(1989)
【5】ΝΡΠ-1144
关于200℃×70h压缩变形,因为我们是按照GB1683进行测试,它的样品是10×10㎜的圆柱体,所得的数值要比环形式样(3.5㎜)大。因此,我们的压缩变形数值,还是比较好的。应该说明的是:氟橡胶的压缩变形是一个关键。杜邦公司进行大量工作,他们研究出来的低压缩变形氟橡胶,在200℃×336h压缩变形为19%。200℃×1000h时为37%。这样的数据,目前,我们是达不到的。
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。
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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。