螺杆泵定子橡胶材料制备及力学性能研究①

贺日东 谈金祝

(南京工业大学机械与动力工程学院)

螺杆泵定子橡胶材料制备及力学性能研究①

贺日东 谈金祝

(南京工业大学机械与动力工程学院)

选用3种不同丙烯腈含量的生胶(型号为N3965、N3345和JSR N220S)同时改变补强体系中炭黑与白炭黑的比例，研究生胶、补强剂和温度对丁腈橡胶材料力学性能的影响。结果表明，N3965弹性体材料在硬度、拉伸性能、压缩弹性模量及耐热性能等方面都优于其他两种材料。同时，研究了4种不同的炭黑与白炭黑并用比例对N3965力学性能的影响。结果表明，随着白炭黑用量的不断增大，N3965材料的抗拉强度、延伸率、撕裂强度和耐热性能均有提高，但其压缩弹性模量有所降低，压缩永久变形量、蠕变量和应力松弛量变大，当炭黑和白炭黑的并用比例为100∶ 30时， N3965硫化胶料的综合性能最好。试验结果表明,温度对丁腈橡胶材料的力学性能有显著影响，随着温度的升高，丁腈橡胶材料的抗拉强度出现了明显的下降，压缩应力松弛率先快速减小随后逐渐增大。

螺杆泵 定子材料 丁腈橡胶 生胶 补强剂 力学性能

由于螺杆泵的工作环境恶劣且复杂，温度高，压力大，在长期不间断工作和疲劳载荷的共同作用下，螺杆泵中橡胶定子的力学性能快速下降，使材料出现老化，并发生破损失效，严重缩短了螺杆泵的使用年限，同时也限制了它的进一步发展和应用[1～3]。橡胶定子作为螺杆泵使用过程中失效最快的部件，它的寿命决定了整个螺杆泵的使用寿命[4]，因此通过改变生胶材料种类以及补强剂种类和配比等方法设计出合适的定子橡胶材料具有十分重要的意义。

早在1937年德国Faben I G公司就已经开始了丁腈橡胶(Nitrile Butadiene Rubber，NBR)的工业化生产，NBR具有较好的耐介质性能、耐热性能和力学性能，得到了广泛的认可，具有十分广阔的开发应用前景[5]。目前关于NBR的研究主要集中在单一的硫化体系，或新型添加剂或补强剂对橡胶力学性能的影响，但是对基胶的选择对性能影响的研究则较少；此外，关于补强剂混合使用对力学性能影响的研究也少有报道。针对于如何提高丁腈橡胶的各项性能，很多的研究院所和科研单位都在进行着不同的探索和尝试[6]。韩国有等利用有限元法研究了定子橡胶材料的泊松比对螺杆泵举升压力(扬程)的影响[7]。徐加勇等研究了仅加入无机填料填充丁腈橡胶的物理力学性能[8，9]。林桂等研究了用聚酯短纤维增强的丁腈橡胶硫化胶料的压缩性能[10,11]。李巧真等针对泵的总成性能测试实验,自行研制并设计了一套螺杆泵实验装置计算机控制系统[12]。Jahromi A E等采用正交分析方法研究了加工工艺参数对聚氨酯/丁腈橡胶/纳米碳酸钙混合物力学性能的影响[13]。

笔者采用实验的方法，研究3种不同生胶(N3965、N3345、JSR N220S)对NBR弹性体材料性能的影响，通过比较3种生胶制得的弹性体材料的拉伸性能、撕裂性能以及压缩性能等几个重要指标综合分析筛选一种最好的作为后续实验的生胶。同时，研究补强剂配比，即炭黑(N330)和白炭黑(SiO2)的配比对NBR弹性体材料力学性能的影响，通过在不同的温度下测试几项受其影响比较大的力学性能，最终确定补强剂的最佳配比，为NBR材料的性能优化提供理论基础和科学方法。

1 实验

1.1实验材料及配方

实验材料选用螺杆泵定子常用的丁腈橡胶(NBR)材料。为了研究不同型号生胶对NBR材料力学性能的影响，实验选用3种型号的生胶，即N3965、N3345和JSR N220S。其中，N3345和N3965均由德国朗盛公司产，JSR N220S生胶由日本瑞翁公司产。补强剂选用常用的补强炭黑(N330)和沉淀法白炭黑(SiO2)，均由安徽立信橡胶科技有限公司产；硫化剂采用的硫磺(S)是由阿克玛化工有限公司产；助剂氧化锌(ZnO)和硬脂酸均由上海京华化工厂有限公司产；促进剂(DM)、防老剂(4010NA)和增塑剂(DOP)均为橡胶工业常用原料。

为研究生胶种类以及补强剂配比对NBR材料力学性能的影响，笔者设计了7种配方，分别命名为A、B1、C、B2、B3、B4和B5，均采用硫磺作为硫化剂。其中配方A采用生胶N3345，配方B1～B5以N3965作为基胶，配方C以JSR N220S作为基胶，具体配方见表1、2。

表1 不同生胶的橡胶材料试验配方 phr

表2 不同补强剂比例的橡胶材料试验配方 phr

1.2实验材料制备

为了制备实验材料，首先将NBR生胶按表1配方置于开炼机中混炼，得到混炼胶，所用设备为开放式炼胶机小辊距开炼，加料顺序为ZnO、防老剂4010NA，混合均匀后添加炭黑N330、促进剂DM，再添加硫化剂，助剂加入后，调整辊距至1mm 翻炼6次，调整辊距下片，室温下存放24h后返炼；然后，采用无转子硫化仪确定硫化时间，最后，基于所测定的硫化时间在平板硫化机上进行硫化得到硫化胶，最终制得实验材料，即NBR弹性体材料。

基于试验测得的硫化参数见表3，硫化条件为：硫化温度150℃，硫化压力10MPa，硫化时间6～7min。

表3 不同配方的硫化参数

1.3实验过程及表征方法

将制备好的NBR弹性体材料加工成力学性能实验所需试样。其中拉伸性能按GB/T 528-2009进行，试样几何形状和尺寸如图1所示。撕裂性能按GB/T 12833-2006进行，试样形状及尺寸如图2所示。压缩应力松弛按GB/T 1685-2008进行，压缩永久变形按GB/T 7759-1996进行。将试样在室温下压缩3天后取出测量，两种试验所需圆柱体标准试样由模压法制备而成，其直径为13 mm，高6.3 mm。同时考虑到温度对于橡胶材料的拉伸性能和应力松弛性能的影响比较大，将拉伸试样和应力松弛试样分别置于温度为25、70、100℃的保温箱保温3天，该温度非常接近螺杆泵的工作温度，然后利用高低温万能试验机保持对应的温度测试橡胶的拉伸性能和应力松弛性能。

图1 哑铃状拉伸试样示意图

图2 裤形撕裂试样示意图

2 实验结果与分析

2.1生胶种类对弹性体力学性能的影响

为了研究不同种类生胶对NBR弹性体材料综合力学性能的影响，按照表1配方得到3种混炼胶，经过硫化后分别检测材料的常规力学性能，结果见表4。

表4 橡胶材料力学性能检测结果

从表4测试结果可以看出，配方A和B的硬度稍高，较大的硬度值有利于提高橡胶材料的耐磨性能。配方B1的抗拉强度、压缩弹性模量、压缩永久变形、断后伸长率最大，配方A次之，配方C最小。从撕裂强度方面来看，配方C最大，B1稍小，A最小；配方A、B1的延伸率较大，都超过了430%，而配方C的延伸率只有380%左右。

温度对于性能的影响如图3、4所示。随着试验温度的升高，3种配方的抗拉强度都会出现明显下降，但是幅度略有不同，配方B1和配方C下降幅度较配方A小，维持在50%左右。3种配方的延伸率随温度的升高同样呈现出明显的下降趋势，配方B1的下降幅度最小为39%，而配方A和配方C的下降幅度都已超过50%，延伸率降至200%以下。

图3 不同温度下3种配方的抗拉强度曲线

综上，配方B1虽然在撕裂强度、压缩永久变形和断后伸长率方面稍差一些，但是具有较大的硬度、压缩弹性模量和抗拉强度，同时在高温的作用下表现出了相对优异的抗拉强度和延伸率，表现出优异的耐热性能。因此，选用配方B1中的丁腈橡胶N3965作为待用生胶。

图4 不同温度下3种配方的延伸率曲线

2.2炭黑与白炭黑并用比例对丁腈橡胶材料性能的影响

为了研究不同补强剂并用比例对NBR综合力学性能的影响，使用炭黑N330和白炭黑SiO2两者并用作为补强填充体系，设计了4种配方(表2)，进行混炼和硫化后按照橡胶材料性能测定的相关标准制作对应的试样，分别按照标准的要求检测材料的常规力学性能，结果见表5。

表5 橡胶材料力学性能检测结果

从表5可知，配方B2具有较高的压缩弹性模量和较低的蠕变量，但是撕裂强度和延伸率都较小。这是由于白炭黑的使用量太小，没有起到足够的补强效用，此时白炭黑的加入对硫化胶料的性能影响不大。配方B3的压缩永久变形量较小，断后伸长率和应力松弛量也较低。配方B4则具有较低的断后伸长率和应力松弛量，较高的撕裂强度。配方B5的撕裂强度最大，延伸率最高，但是断后伸长率、压缩永久变形量、蠕变量也最大。这是由于白炭黑与丁腈橡胶的结合能力与丁腈橡胶中丙烯腈的含量成正比，丙烯腈基团与白炭黑表面的羟基相互结合形成交联，有利于白炭黑在硫化胶料中的分散，对提高硫化胶料的性能有较大帮助。本实验中使用的丁腈橡胶N3965属于高丙烯腈含量丁腈橡胶，因此它与白炭黑的相互分散较易，相互结合的能力较强。随着白炭黑添加量逐渐增多，表现出白炭黑补强胶的补强特点越明显。

综上可知，白炭黑的加入对丁腈橡胶材料的抗拉强度、延伸率、撕裂强度和压缩弹性模量等力学性能有较大的影响。随着白炭黑用量的增加，硫化胶料的抗拉强度、延伸率和撕裂强度都得到了较大提高，硫化胶料的耐热性能也得到了提升。不过白炭黑的加入也会导致硫化胶料压缩永久变形量、蠕变量和应力松弛率增大。因此，在满足使用条件的情况下，白炭黑的用量应该控制在一定的范围之内。以上实验结果表明，配方B4硫化胶料具有较高的抗拉强度，较大的延伸率，较高的撕裂强度和压缩弹性模量，同时胶料的耐热性能良好，应力松弛率较小。然而硫化胶料的压缩永久变形量和蠕变量稍高，不过变形量均在基本误差控制范围内，对橡胶材料的实际使用影响并不大。因此可以得出，炭黑N330与白炭黑SiO2并用作为补强剂对丁腈橡胶材料具有较大的补强作用，同时并用比例为100∶ 30时，硫化胶料的综合性能较高。综合比较多种配方可知，配方B4硫化胶料无论在力学性能还是耐热性能等方面都表现较好，适合用于制作螺杆泵定子材料。

3 结论

3.1丁腈橡胶N3965弹性体材料在硬度、拉伸性能、压缩弹性模量以及耐热性能等方面都优于其他两种材料，撕裂强度和压缩永久变形性能与其他两种材料大小相近。

3.2温度对丁腈橡胶材料的力学性能有显著影响，随着温度的升高，硫化胶料的抗拉强度出现了明显的下降趋势，压缩应力松弛率呈现出先快速减小随后逐渐增大的趋势。

3.3炭黑和白炭黑并用比例达到100∶ 30时，得到的丁腈橡胶硫化胶料的综合性能最佳，拉伸性能和耐热性能得到了较大的提高，同时硫化胶料的压缩性能降低不明显，能较好地满足螺杆泵定子用橡胶材料的使用要求。

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ThePreparationofStatorRubberMaterialsandDiscussionofTheirMechanicalPropertiesforScrewPumps

HE Ri-dong, TAN Jin-zhu

(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

Three kinds of NBR (i.e. N3965, N3345 and JSR N220S) were chosen and the ratio of carbon black to carbon white in reinforcing system was altered for investigating into the effects of raw rubbers, reinforcing agents and temperatures on NBR’s mechanical properties. The results show that, the NBR(N3965) outperforms other two materials in the hardness, tensile property, compressive modulus of elasticity and heat-resistant quality; meanwhile, the effects of four different ratios of the carbon black to carbon white on the NBR’s mechanical property were discussed to show that, when white carbon black’s dosage is increased constantly, the N3965 rubber material’s tensile strength, ductility, tearing strength and heat-resistant quality become enhanced with the decreased compressive modulus of elasticity and the increased compression set and the creep deformations and stress relaxation modulus; when the ratio of the carbon black to carbon white stays at 100∶ 30, the NBR(N3965)vulcanized rubber has better complexity property. The test results show that, the temperature influences the NBR’s (N3965) mechanical property obviously, and with the increase of temperature, the tensile strength of the NBR rubber becomes decreased obviously and the compression stress relaxation rate is initially decreased rapidly and then increased gradually.

screw pump, stator material, NBR, raw rubber, reinforcing agent, mechanical property

国家自然科学基金项目(51175241)。

贺日东(1993-)，硕士研究生，从事新能源技术及装备研究。

联系人谈金祝(1964-)，教授，从事新能源技术及装备研究，tjznjut@njut.edu.cn。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)05-0492-06

2016-11-23，

2016-12-06)