超高分子量三元乙丙橡胶材料的性能研究*
2020-05-28王显妮
李 鹏，王显妮，高 茜
（1 陕西省石油化工研究设计院 高分子材料研究所，陕西西安 710069；2 咸阳职业技术学院 医药化工学院，陕西咸阳 712000）
近年来，由于汽车产量不断扩大，汽车用橡胶配件需求量猛增。目前，国内汽车减震件使用的减震材料主要是天然橡胶[1]。天然橡胶虽然有较好的回弹性和优异的物理性能，但耐臭氧和耐热性差[2]，最高使用温度仅为100℃，导致天然橡胶类的减震件使用寿命严重缩短。
超高分子量三元乙丙橡胶具有良好的耐热耐臭氧性能[3]，且分子量和天然橡胶相当，能够保证材料较高的强度和良好的弹性[4]。为使超高分子量三元乙丙橡胶具备较好的物理机械性能、耐热空气老化性能和较低的压缩永久变形，本文主要从补强体系、增塑剂种类及硫化体系的选择研究其对超高分子量三元乙丙橡胶性能的影响。
1 实验部分
1.1 主要原材料
三元乙丙橡胶、天然胶乳、纳米氧化锌、硬脂酸、炭黑、防老剂、增塑剂、工艺助剂等,均为橡胶工业市售品。
1.2 主要仪器与设备
开炼机（XK-160A），上海橡胶机械厂；密炼机（XN-160），大连橡胶机械厂；平板硫化机（QLB-D），江苏海门县轻工机械厂；老化箱（401A），上海实验仪器总厂；电子拉力机（PT-1176P），台湾宝大国际仪器有限公司；硫化仪（MDR-2000E），无锡蠡园电子化工设备厂；门尼粘度仪（UM-2050），台湾优肯；真空干燥箱（DZ-1A），天津市泰斯特仪器有限公司；恒温加热磁力搅拌器（DF-101S），巩义市予华仪器有限公司。
2 结果与讨论
2.1 补强体系对超高分子量三元乙丙橡胶性能的影响
选用DZ-13 炭黑和N550 炭黑作为补强体系，两种炭黑不同用量对超高分子量三元乙丙橡胶的物理性能、热空气老化性能和压缩永久变形性能的影响见表1。
从表1 可以看出，补强体系中随着DZ-13 炭黑用量的增加，硫化胶的硬度逐渐升高，伸长率和扯断强度表现为先升高再降低。分析原因认为，DZ-13 炭黑由于粒径较小，结构性较高，其对超高分子量三元乙丙橡胶的补强效果优于N550 炭黑[5]。结果表明，加入25 份N550炭黑和45 份DZ-13 炭黑时超高分子量三元乙丙橡胶的扯断强度和断裂伸长率较高，热空气老化性能和压缩永久变形性能适中。因此,选用N550 炭黑25 份与DZ-13炭黑45 份并用作为适合的补强体系用量。
表1 补强体系对超高分子量三元乙丙橡胶性能的影响Table 1 Effect of reinforcement system on the properties of ultra-EPDM
2.2 增塑剂对超高分子量三元乙丙橡胶性能的影响
增塑剂的加入能够增大大分子链橡胶分子的可塑性。增塑剂石蜡油、环烷油及芳香油对超高分子量三元乙丙橡胶性能的影响见表2。
表2 增塑剂对超高分子量三元乙丙橡胶性能的影响Table 2 Effect of plasticizer types on the properties of ultra-EPDM
从表2 可以看出，加入石蜡油的超高分子量三元乙丙橡胶具备较好的物理机械性能、耐热空气老化性能和最低的压缩永久变形。同时，石蜡油具有较低的芳香烃含量和挥发性，低芳烃含量能够提高橡胶的抗氧化降解性能，而低挥发性有助于防止胶料老化收缩，在改善橡胶制品的外观的同时，能够延长橡胶制品的使用寿命[6]。因此，选择石蜡油作为超高分子量三元乙丙橡胶材料适合的增塑剂。
2.3 硫化体系对超高分子量三元乙丙橡胶性能的影响
不同的硫化体系对橡胶材料的刚度、阻尼系数、耐热性、耐疲劳性等均有影响。一般常用硫磺体系进行硫化，由于硫磺体系中含有多硫键，能够提高胶料的减震和耐动态疲劳性能，但会对胶料的耐热性能产生影响。根据超高分子量三元乙丙橡胶配方中的生胶比例，采用正交实验法（见表3、表4、表5），研究促进剂S、CZ、DTDM、M 的用量对超高分子量三元乙丙橡胶性能的影响，结果见表5。
表3 正交试验的因子和水平Table 3 Factors and levels of orthogonal experiments
表4 正交试验组合Table 4 Combinations of orthogonal experiments
表5 L9(34)正交试验结果Table 5 Resluts of orthogonal experiments
从表3～表5 可以看出，随着促进剂CZ 用量的增加，硫化胶的压缩永久变形逐渐降低；增加促进剂DTDM 的用量，提高了硫化胶的伸张疲劳系数；增加促进剂M 的用量，硫化胶的扯断伸长率逐渐增大。为保证超高分子量三元乙丙橡胶具备较高的扯断伸长率，较低的压缩永久变形和伸张疲劳系数，确定硫化体系的最佳水平组合为：S1.0、CZ1.5、DTDM 1.4、M0.5。
3 结论
（1）加入25 份N550 炭黑和45 份DZ-13 炭黑时，超高分子量三元乙丙橡胶的扯断强度和断裂伸长率较高，热空气老化性能和压缩永久变形性能稳定。
（2）加入石蜡油的超高分子量三元乙丙橡胶具备较好的物理机械性能、耐热空气老化性能和最低的压缩永久变形。
（3）选用S1.0、CZ 1.5、DTDM 1.4、M0.5 的硫化体系，制备的超高分子量三元乙丙橡胶具备较高的扯断伸长率、较低的压缩永久变形和伸张疲劳系数。
