耐高温丁腈橡胶的材料研究

郭 潜，周晓慧，王显妮

（陕西省石油化工研究设计院，陕西西安710054）

普通丁腈橡胶在热空气介质中（100℃以下）可较长期使用，然而随着现实使用工况环境不断变化，对于橡胶耐热性的要求逐步提升，现阶段丁腈橡胶（NBR）多要求在120℃～150℃能长期工作[1]。橡胶的耐热性与其分子结构和胶料组分、温度、机械作用和周围环境介质有密切关系。通常橡胶化学稳定性也是影响耐热性能的一关键重要因素。目前丁腈橡胶只能间歇获短时间内在120℃以上使用，提升丁腈橡胶的耐热性的研究，从而延长橡胶制品使用寿命，扩大工作温度范围，扩充材料使用领域以及多工况就凸显着相当重要的意义。本文将从配方设计、工艺改良等多角度，通过多元设计实验以此来提升NBR橡胶的耐热性能，提高橡胶材料的综合性能。

1 实验部分

1.1 原材料与实验设备

原材料：丁腈橡胶（牌号：1051）；氧化锌、过氧化二异丙苯、白炭黑、间亚苯基双马来酰亚胺（橡胶助剂HⅤA-2）、防老剂NBC、防老剂DDA、氧化镁等均为工业品，市售。

生产实验设备：橡胶开炼机KL-6，磐石油压工业有限公司；橡胶硫化成型机P-100-PCD，磐石油压工业有限公司；GT-TCS2000电子拉力机，台湾高铁科技股份有限公司；GT-7017-NM老化箱，台湾高铁科技股份有限公司。

1.2 试样制备

将基本配方乘以倍数扩大，按下列工艺先炼成母胶：(1)在开炼机上使橡胶包辊，留有少量堆积胶；(2)逐步加入硬脂酸和1/2的炭黑及油；(3)再加剩余的1/2炭黑和硫化剂，使其混合均匀至没有残留粉料；(4)左右开刀各四次后下片；(5)将辊距调至最小，薄通5次(其中三次打三角包)；(6)出片厚度3 mm，下水冷却。然后再分为若干份，加入不同助剂和填料翻炼均匀，在平板硫化机上制备试样，硫化条件为：170℃×12min。

1.3 性能测试

硫化橡胶拉伸性能的测定按GB/T 528-92进行；硫化橡胶邵尔A硬度测定GB/T 531-92进行；橡胶热空气老化测定按GB/T 3512-89进行。

2 结果与讨论

2.1 防老剂的影响

丁腈橡胶自身具有较好的耐热性，常规配方最高使用温度可达到110℃，通过加入多类防老剂，在一定程度上提高它的耐热性能。几种防老剂对丁腈橡胶材料的耐热性的影响见表1。

表1 防老剂种类对对NBR耐热性的影响Table 1 The effect of antioxidants on NBR heat resistance

由表1可以看出，未加防老剂的硫化胶在125℃×48h的条件下，丁腈橡胶试样的性能变化较大，该迹象表明材料已经完全老化，对照添加各类防老剂后的硫化胶耐热性均有一定限度提升。这是防老剂在高温环境下抑制了大分子聚合物的氧化降解速率，部分隔绝大分子与热氧等易老化要素环境的影响[2]，以此提高NBR的耐热性，表中高性能防老剂NBC、DDA的防护效果最明显。

2.2 填料的影响

一般常规浅色填料的耐热老化性能优于补强填充剂炭黑，本文通过选用氧化镁、白炭黑并用改善丁腈橡胶料的耐热性能。实用橡胶配方过程中，普遍把氧化镁做为吸酸剂或硫化剂使用，用量一般为5份左右，但用量超过10份，可产生绝热作用以此可改善胶料的耐热性，同时能够增加橡胶胶料的回弹性。本文实验中将主要考虑氧化镁作为填料使用，以改善NBR胶料的耐热性，多变量氧化镁对丁腈橡胶材料的性能的影响具体实验，结果见表2。

表2 MgO用量对NBR耐热性的影响Table 2 The effect of MgO dosage on NBR heat resistance

由表2可知，氧化镁的并用加入，胶料的耐热性得到了较大的改善，随着氧化镁用量的增加，丁腈橡胶耐热氧老化性能呈逐步上升趋势，这可能是因为氧化镁在橡胶胶料中分散后，氧化镁的绝热效应造成硫化胶料中热传递速率变慢[3]，从而减缓了胶料的热氧老化速度，以此提高了胶料的热氧老化性能。同时在表2中可以看出，硫化胶的物理机械性能随着氧化镁量的增加有所下降，这可能是由于氧化镁在丁腈橡胶中分散性较差，且随着实际用量的增加，在胶料的分散度降低，相互作用减小明显，相容性变差[4]，导致物理机械性能逐渐下降。

2.3 助剂的影响

2.3.1 增塑剂的影响

增塑剂对耐热性能影响很大，耐热配方中应尽量不用增塑剂或者少量使用具有热稳定性和不挥发的增塑剂品种，特别是在硫化时能起聚合作用的增塑剂更好，用量一般最好控制在10份以内；较低相对分子量的增塑剂在高温下易迁移渗出或挥发，导致硫化胶硬度增加，伸长率下降，使硫化胶逐渐硬化，不宜使用。本实验中选用高粘度的TOTM作为增塑剂，以改善NBR胶料的加工性，用量为5份。

2.3.2 助剂EⅤM的影响

EⅤM可耐高温175℃,采用改变聚合物的成分和结构来改善NBR耐热性应是一种可行的办法，所以本文考虑在NBR中加入EⅤM，以期对NBR耐热性有所改善。EⅤM对NBR的耐热性影响见表3。

表3 EVM用量对NBR耐热性的影响Table 3 The effect of EVM dosage on NBR heat resistance

由表3可知，EⅤM加入后，胶料的扯断强度、扯断伸长率减小，这可能是由于基于EⅤM、NBR的饱和度不同，致使共硫化性差异较大造成的。但热空气老化后性能均有一定程度的提升，尤其是老化后扯断强度有较大提升，这可能是因为常规硫化时，丁腈橡胶NBR与硫化剂交联速率快，交联程度高，而EⅤM交联程度较低，在热空气老化过程中，EⅤM二次硫化交联所致的。所以EⅤM的适量并用，一定程度上提高丁腈橡胶胶料的热空气老化性能，当其用量为15份时，橡胶材料的综合性能最好。

3 结论

（1）选择合适的防老剂在一定程度上提高NBR的热空气老化性能，本文中尤以防老剂NBC、DDA效果最佳。在125℃×48h条件老化后，仍可保持一定的弹性。

（2）白炭黑并用氧化镁作为橡胶补强填充剂，可大幅提高NBR的耐热性，配以氧化镁用量25份，防老剂NBC 3份、DDA 2份，在125℃×48h条件下老化后，扯断伸长率保持50%以上。

（3）在NBR中加入15份EⅤM，配合氧化镁25份，防老剂NBC 3份、DDA 2份。在125℃×48h条件下老化后，扯断伸长率保持60%以上，且具有较好的综合性能。