针对螺杆泵定子丁晴橡胶的PVC改性对其力学性能及耐介质性能的影响

党 磊，吴 伟，任 伟

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

针对螺杆泵定子丁晴橡胶的PVC改性对其力学性能及耐介质性能的影响

党 磊，吴 伟，任 伟

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

橡塑共混改性是提高橡胶性能的重要方式。本文针对螺杆泵定子丁晴橡胶使用聚氯乙烯对其进行改性，研究了聚氯乙烯的加入量对丁腈橡胶力学性能的影响，确定了聚氯乙烯的最佳添加量。并通过对共混体系的耐水、耐油、耐酸、耐碱性能进行测试，为共混体系的实际应用提供了重要的数据基础。

螺杆泵；丁腈橡胶；聚氯乙烯；力学性能；耐介质性能

螺杆泵是一种容积式转子泵,它是依靠由螺杆(转子)和衬套(定子)形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体的。通过阅读文献与调研发现，螺杆泵失效主要表现为定子失效，而定子内表面的疲劳失效占有相当比例，主要表现为螺杆泵的漏失。同时由于井下工况普遍较复杂，通常伴随高温、高压、高含砂量、高油气比、强腐蚀性介质等，因此，合理的选择采油螺杆泵定子橡胶是提高其使用寿命的关键。

丁腈橡胶(NBR)因其具有较好耐油性、易加工性和成本低等特点，常常用于石油工业中的耐油橡胶密封材料，其制品类型主要包括胶管、钻井工具用橡胶件、密封件和螺杆泵定子等[1-2]。此外，丁腈橡胶还具有优良的耐水性、气密性及粘结性能[3-4]。因此，丁腈橡胶至今仍是石油工业用橡胶的主要材料，其在石油工业中的应用涉及了勘探、开发、储运、炼制等石油行业的方方面面[5-7]。为满足不同环境的使用要求，需要开发性能各异的丁腈橡胶配方。在配方开发中，橡塑共混是对丁腈橡胶性能改善的重要手段[8]。本文采用与丁腈橡胶相容性较好的聚氯乙烯(PVC)[9]对其进行改性，研究了PVC用量对丁腈橡胶力学性能的影响，并探索了PVC的加入对丁腈橡胶耐油、耐酸、耐碱性能的影响。

1 实验部分

1.1 原材料

基础配方(质量份)：丁腈橡胶NBR3350，100；聚氯乙烯PVC S-1000，变量；硫化剂DTDM 0.5，CZ 1.5，TT 1。

1.2 试样制备

将生胶投入开炼机中，薄通几次，待塑炼完成后加入PVC，待其混炼均匀后再加入硫化体系并调小辊距薄通，打三角包5～6次、下片，制成混炼胶。采用无转子硫化仪测定正硫化时间，混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为150 ℃×Tc90，样品厚度约为2mm。硫化完成后，使用国标2型裁刀在冲片机上将胶片裁为标准哑铃试样。

1.3 性能测试

使用电子拉伸试验机按GB/T528-2009测试拉伸性能，拉伸速度为500 mm/min。硬度使用LX-A型橡胶硬度计，参照GB/T531-1999标准进行测量。样品的耐介质实验参照GB/T1690-2010标准进行，其中，样品质量与体积使用MP3002电子天平进行测量。采用电子扫描显微镜观察不同样品断裂后的表面形貌，并测量样品内部PVC分散相的尺寸，样品观察前需进行喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 PVC添加量对NBR力学性能的影响

在橡胶制品中，填料的添加量极大地影响制品的性能，合适的填料添加量将对橡胶基体起到非常好的补强作用。在本文中，我们依次增大PVC的添加量，研究PVC添加量对共混体系力学性能的影响，结果如图1所示。本实验中，为避免填料与助剂对实验结果的影响，配方中只保留了生胶、PVC与硫化体系。

图1 PVC含量对NBR强度的影响

由图1可以看出，PVC添加量小于30份时，随PVC加入量的增大，共混体系的拉伸强度一直增大，在30份时达到最高值19.5MPa。这说明，PVC的加入可以对NBR基体起到较好的补强效果，且PVC的添加量以30份为佳，此时PVC在基体中起到补强粒子的作用。其后，随PVC添加量增大，体系强度一直减小，尤其是当添加量超过35份时，体系强度下降非常明显。这可能是因为当PVC添加量超过35份时，PVC在体系中分散困难。图2显示了PVC添加量分别为10份和40份时NBR橡胶的扫描电镜照片。可以看出，当添加量为40份时，PVC分散相的尺寸变大，且PVC在基体中产生了明显的团聚。仔细观察添加量为40份时的电镜照片，可以看出NBR的断面上出现了许多细小的空穴(图中圆圈处)，这说明PVC的团聚导致与基体结合部位出现缺陷，这必然会引起基体强度下降。

图2 PVC添加量为10份和40份时NBR的扫描电镜照片

此外，当PVC添加量40份时，可明显观察到塑料韧性断裂(图中椭圆圈处)的现象，这说明PVC逐渐形成少量的连续相。当硫化胶被拉伸时，少量的PVC连续相由于具有更高的弹性模量，会成为其周围传递载荷的主要部分，这也会在基体中形成导致应力集中区域。拉伸发展到一定阶段，这种应力集中区域就会先一步断裂，形成裂纹，导致橡胶基体提前断裂。所以，当PVC添加量超过40份时，硫化胶的强度下降，而断裂伸长率(图3)也下降。

图3 PVC含量对NBR断裂伸长率和硬度的影响

图3展示了PVC加入后NBR断裂伸长率和硬度的变化。可以看出，PVC加入后断裂伸长率略有下降，其后基本不变，当PVC添加量大于40份时，断裂伸长率急剧下降。NBR的硬度随着PVC添加量的增大近似呈直线增大。

由季札的评论我们可知《唐风》的特点：一是思深； 二是忧远； 三是有传统，有历史感。 思深和忧远意思相近，故杜预概括为忧深思远，而有传统、有历史感又是和忧深思远相联系着的。 因此，若从风格上讲，可以说是厚重感。 若从思想上来讲，可以说是计长远。 对于《唐风》，可以如此把握之。

2.2 PVC对NBR耐介质性能的影响

前两章的实验中我们探索了PVC添加量对NBR力学性能的影响，确定PVC添加量为30份对NBR基体补强效果最好。在实际使用中，丁腈橡胶不可避免地经常接触水、油、酸、碱等环境。因此，研究NBR/PVC体系的耐水、耐油、耐酸和耐碱性能，对于探索共混体系的实际应用具有重要意义。选取性能最优异的共混体系即PVC添加量为30份的体系为代表，与纯NBR3350体系做对比，测试共混体系在几种老化介质中的腐蚀情况。

将上述两种样品，分别置于装有去离子水、92#汽油、10% HCl溶液、10% NaOH溶液的水热釜中，老化温度为120℃，老化时间为48h。计算腐蚀后样品质量变化率和体积变化率，对腐蚀后样品做力学性能测试，与腐蚀前相比较，评价其耐介质老化性。

2.2.1 PVC对NBR耐水性的影响

丁腈橡胶NBR与NBR/PVC体系在120℃水中腐蚀48h，结果如表1所示。

表1 NBR橡胶在水中腐蚀后性能

由表1中可以看出， NBR橡胶在高温水中的腐蚀并不严重，两者的质量变化和体积变化都不是很大，NBR/PVC体系略低。NBR/PVC腐蚀后有较高的强度保持率，硬度下降也较小。说明，添加30份PVC，有利于提高NBR在120℃水中的耐蚀性。

2.2.2 PVC对NBR耐油性的影响

丁腈橡胶在92#汽油中腐蚀48h后性能如下：

表2 NBR橡胶在92#汽油中腐蚀后性能

2.2.3 PVC对NBR耐酸性的影响

丁腈橡胶在120℃、10%的盐酸溶液中腐蚀48h后性能如下：

表3 NBR橡胶在盐酸溶液中腐蚀后性能

盐酸对NBR橡胶的腐蚀性比水、92#汽油严重的多，在经过120℃×48h后，NBR橡胶的强度下降较多，强度保持率只有33%左右。有意思的是，加入PVC后体系的耐酸性并没有提高，反而下降了。加入30份PVC后体系的质量变化和体积变化变大了2倍多，且强度保持率也下降较多。对比表1中NBR在纯水中的变化，说明盐酸加入后增大了水在NBR橡胶基体中的扩散(质量变化率与体积变化率变大)，使得NBR橡胶中存在大量因水分子聚集形成的孔穴，这可能是体系强度下降的原因。

2.3 PVC对NBR耐碱性的影响

丁腈橡胶在10%的氢氧化钠溶液中经过120℃×48h腐蚀后性能如下：

表4 NBR橡胶在氢氧化钠溶液中腐蚀后性能

对比盐酸对NBR的腐蚀结果，可以发现氢氧化钠溶液腐蚀后的NBR橡胶质量变化和体积变化都很小，只有1%左右。对比表1，发现这比NBR在水中的质量变化和体积变化都小，说明氢氧化钠的存在可以阻止水对NBR基体的扩散。然而，体系的强度却下降较大，两种体系的强度保持率都只有20%左右，NBR/PVC体系的强度保持率略高。由此猜测，氢氧化钠的存在破坏了NBR分子链结构，从而使得体系强度降低。

3 小结

本文研究了NBR/PVC体系中，PVC添加量对体系的力学性能的影响，通过观察样品断面的电镜照片，初步解释了体系力学性能变化的原因。并对体系的耐水、耐油、耐酸、耐碱性做了初步探索。结果如下：

(1)当PVC的添加量少于30份时，PVC的加入有助于提高NBR的力学性能；当添加量超过35份时，NBR的强度和断裂伸长率明显下降。电镜照片显示，当添加量超过35份时，PVC在NBR中团聚所引起的缺陷是导致NBR性能下降的主要原因。

(2)PVC的加入有助于提高NBR在水、汽油和碱中的耐蚀性，不利于其在盐酸中的耐蚀性。NBR在酸和碱中的破坏形式可能不同，在酸中橡胶质量变化较大即水对其扩散性较大；而在碱中NBR质量和体积基本不变，但强度下降。

[1] 廖俊杰, 陈福林, 岑 兰,等. 丁腈橡胶的应用研究进展[J].特种橡胶制品, 2007, 28(5):41-46.

[2] Wang C, Huang Y D, Wang B. Study on heat-resistant property of adhesive/carbon-carbon composites joints[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives, 2006, 26(4):206-211.

[3] 杨清芝.现代橡胶工艺学[M]. 中国石化出版社, 1997:538-539.

[4] 汪多仁.丁腈橡胶的合成与应用[J].世界橡胶工业, 2000 (1):42-43.

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[8] 赵光贤. 橡胶共混和橡塑共混[J]. 世界橡胶工业, 2007 (4):17-21.

[9] Sotiropoulou D D, Avramidou O E, Kalfoglou N K. Property-composition dependence of hydrogenated poly(butadiene-co-acrylonitrile)/poly(vinyl chloride) blends[J].Polymer, 1993, 34(11):2297-2301.

(本文文献格式：党 磊，吴 伟，任 伟，等.针对螺杆泵定子丁晴橡胶的PVC改性对其力学性能及耐介质性能的影响[J].山东化工，2016，45(02)：19-21.)

2015-12-02

党 磊(1987—)，陕西西安人，在读硕士。

TQ333.7

A

1008-021X(2016)02-0019-03