纳米高岭土对BIMSM硫化胶气密性的影响

代高峰，刘民英，黄环宇

（1.郑州翱翔医药科技股份有限公司，河南 登封 452483; 2.郑州大学, 河南 郑州 450001）

纳米高岭土对BIMSM硫化胶气密性的影响

代高峰1,2，刘民英2，黄环宇1

（1.郑州翱翔医药科技股份有限公司，河南 登封 452483; 2.郑州大学, 河南 郑州 450001）

主要研究了纳米高岭土对溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物（BIMSM）胶料气密性的影响,以及硫化时间和老化对BIMSM纳米复合材料气密性的影响。结果表明，BIMSM纳米复合材料具有优异的气密性和耐老化性能，并且明显优于BIMSM橡胶。

纳米高岭土；溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物（BIMSM）；气密性；硫化时间；老化

0 前 言

溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物（BIMSM）由于其特殊的化学结构，除了具有丁基橡胶的优点外，其热稳定性、耐臭氧性、氧化稳定性、黏性、气密性和耐射线辐射性均好于卤化丁基橡胶[1-2]。因此BIMSM橡胶被广泛应用于轮胎和医药等密封件制品[3-6]。

纳米高岭土由于具有纳米材料的表面效应、体积效应和比表面积效应等特性，因此能赋予其复合材料特殊的性能。纳米复合材料在各个方面、各个领域中的应用也受到了极大的关注，橡胶工业也不例外[7-9]。这也为节能环保提供了一种思路。

用溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物（BIMSM）-高岭土纳米复合材料制备试样，研究了BIMSM纳米复合材料的气密性以及硫化程度和老化对其气密性的影响。

1 试 验

1.1 主要原材料

溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物（BIMSM，Exxpro3433）、溴化丁基橡胶（BIIR，EXXON BROMOBUTYL 2211），埃克森美孚公司；纳米高岭土，山东枣庄三兴高新材料有限公司；煅烧高岭土，河南中龙高岭土有限公司。其他配合剂均为橡胶工业常用的原材料。

1.2 仪器和设备

YS-3-15型强力加压利拿式密炼机，无锡阳明橡胶机械有限公司产品；S(X)K-160A型开炼机，上海橡胶机械厂产品；TCY-V-22-2-S-PCD型模压成型机，东毓油压机械股份有限公司产品； UR2010-SD型无转子流变仪，台湾优肯科技股份有限公司产品；AI-7000型微电脑拉力机，台湾高铁科技股份有限公司产品；HQL-100型高温老化试验箱，北京中科环试仪器有限公司产品；Ox-Tran 2/61型氧气透过率测试仪，美国Mocon公司产品。

1.3 试样制备

BIMSM纳米复合材料的制备：先用密炼机将BIMSM和纳米高岭土按照质量比100:10的比例进行混炼，然后再用开炼机再次混炼。

混炼胶试样的制备：按照GB 6038—2006标准混炼胶试样制备，按照配方要求先用密炼机混炼，再用开炼机混炼，用无转子硫化仪测定胶料的t90，根据胶料的t90在平板硫化机上进行硫化。

1.4 性能测试

混炼胶物理性能的测试：以GB/T 528—2009和GB/T 529—2008标准在微电脑型拉力机上进行测试。

胶料气密性的测试：在美国Mocon公司的Ox-Tran 2/61型氧气透过率测试仪上，按照标准ASTM D 3985进行测试，用氧气的透过率来表示。

2 结果与讨论

2.1 纳米高岭土增强胶料气密性的机理

胶料的气密性（阻隔性）通常是用气体透过率表示的，以下用氧气透过率的大小来表示试样气密性能的优劣。

胶料的气密性与填料在其中的分散程度及其取向密切相关，也是评价材料气密性的两个重要因素。在纳米复合材料中，具有高度取向的层状填料和有序的排列，因此这些层状面直接阻止了气体的通过。纳米材料的阻隔机理如图1所示[10]。很明显，利用纳米材料和复合技术可以降低材料的气体透过性，从而增加材料的气密性。因此可以用BIMSM/高岭土纳米复合材料增加丁基橡胶塞的气密性，这也为在保持丁基橡胶塞物理性能不变的情况下减小针刺厚度而改善其穿刺落屑性能和终端使用性能提供了理论依据。

图1 大长径比和高度取向填料阻隔气体通过的机理示意图

2.2 纳米高岭土对BIMSM胶料性能的影响

溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物（BIMSM）是一种适用于生产医药橡胶塞的、最洁净的新型溴化丁基橡胶[3,8]。用BIMSM和纳米高岭土制成了BIMSM纳米复合材料。溴化丁基橡胶（BIIR）、BIMSM和BIMSM纳米复合材料性能的对比如表1所示。这三种胶料的流变特性如图2所示。

图2 BIIR、BIMSM和BIMSM纳米复合材料的流变曲线(185 ℃)

由表1可知，BIMSM纳米复合材料（胶料C）的定伸应力和撕裂强度最大，而伸长率最小，气体透过率也最小。这些也正是具有表面效应、体积效应和比表面积效应的纳米高岭土所赋予BIMSM纳米复合材料力学性能的具体表现。在此需要特别说明的是，胶料C的气体透过率远小于胶料A和B，这充分说明了BIMSM纳米复合材料能有效地降低材料的气体透过性，增加材料的气密性。

表1 BIIR、BIMSM和BIMSM纳米复合材料丁基橡胶塞配方及其性能

由图2可知，BIMSM纳米材料的胶料在流变条件下显示出了较好的平坦性，而溴化丁基橡胶胶料在流变条件下最有返原现象，这也说明BIMSM纳米材料的胶料具有较好的稳定性。

2.3 硫化程度对BIMSM渗透性的影响

在硫化温度一定的条件下，硫化程度的大小可以用硫化时间的长短来表示。本文用t50、t90、t150表示胶料欠硫、正硫和过硫三种不同状态。

从图3中可以看出，BIMSM纳米复合材料的气密性明显优于BIMSM，并且这两种胶料无论是在欠硫状态下还是过硫状态下，其渗透性变化均不大，这也证实了硫化程度对渗透性的影响可以忽略不计。这与Rodgers B等[11]人的研究结果一致。因此硫化程度对渗透性的影响可以忽略不计。

图3 硫化程度对渗透率的影响(185 ℃)

2.4 老化对BIMSM纳米复合材料气密性能的影响

分别将硫化试样置于100 ℃和125 ℃两个不同温度条件下，研究老化对BIMSM纳米复合材料气密性能的影响。BIIR、BIMSM和BIMSM纳米复合材料这三种胶料老化前后气体透过率的变化情况如图4所示。

由图4可知，老化后，胶料A（BIIR）的气体透过率变化最大，胶料C（BIMSM纳米复合材料）的气体透过率变化最小，而胶料B（BIMSM）的气体透过率及其变化处于二者之间。这表明BIMSM纳米复合材料胶料有最低的气体透过性，其气密性受老化的影响最小。这也说明了BIMSM纳米复合材料胶料的热稳定性非常好。

图4 老化前后胶料气体透过率的变化

3 结 论

（1）BIMSM纳米复合材料具有优异的气密性和耐老化性能。

（2）纳米高岭土能明显降低BIMSM的气体渗透性，提高其气密性，拓宽了BIMSM的应用范围。

（3）硫化程度对BIMSM纳米复合材料的气密性几乎无影响。

[1] Waddell W H, Tsou A T.Butyl Rubber [M]// Rodgers M B.Rubber Compounding,Chemistry and Application.New York:Marcel Dekker, 2004.

[2] Tsou A T, Waddell W H.Isobutylene-Based Elastomers[C]// Meeting of the American Chemical Society Rubber Division (Grand Rapids), 2004, Michigan.

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[4] 代高峰.一种新型异丁烯类弹性体在医药瓶塞中的应用[J].特种橡胶制品，2010, 31(4):30-34.

[5] 刘欣然，朱然. 溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物在轮胎中的应用[J].轮胎工业, 2013,33(4):198-201.

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[9] 黄环宇，代高峰，刘民英,等. 溴化异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物/高岭土纳米复合材料在药用丁基橡胶瓶塞中的应用[J].橡胶工业, 2016, 63(2):89-92.

[10] Lohse D J. Butyl Nanocomposites with Reduced Air Permeability：Theory and Practice [J]. Rubber World,2009,240(6):36-38.

[11] Rodgers B, Jacob S, Bharat B,et al. Effect of Aging on Permeability Properties of Bromobutyl Based Innerliner Compounds [J]. Rubber World,2010,242(6):22-30.

[责任编辑：朱 胤]

Effect of Nanoclay on Permeability Properties of BIMSM

Dai Gaofeng1,2, Liu Minying2, Huang Huanyu1
(1. Zhengzhou Aoxiang Pharmaceutical Technology Co., Ltd., Dengfeng 452483,China; 2. Zhengzhou University, Zhengzhou 450001,China)

This paper mainly studied the effect of nanoclay on the permeability properties of brominated isobutylene–methyl styrene copolymer (BIMSM) and the effect of curing time and aging on the permeability properties of the BIMSM-based nanocomposite. The experimental results show that BIMSM-based nanocomposite has excellent permeability properties and aging resistance and the permeability properties of the BIMSM-based nanocomposite is superior to BIMSM.

Nanoclay; Brominated Isobutylene–Methyl Styrene Copolymer (BIMSM); Pressure Tightness; Curing Time; Aging

TQ 333.6

A

1671-8232(2017)03-0022-04

2016-05-13

代高峰（1974—），男，河南商水人，工程师，执业药师，在职研究生，主要从事药用丁基橡胶塞配方设计及其与药品相容性研究。