丁腈橡胶化学发泡材料的制备及性能研究

马 跃，程珍珍，郭子龙

（1.中航通用飞机有限责任公司珠海复合材料科技分公司，广东 珠海 519000；2.中航通飞华南飞机工业有限公司，广东 珠海 519000）

引言

橡胶发泡材料，也被称为橡胶海绵[1]，它是以橡胶作为基体，采用超临界气体发泡或化学发泡（加入发泡剂）等方法制备而成的橡胶/空气复材，因其内部存在大量的泡孔结构[2]，与传统的硫化橡胶比较，发泡橡胶具有质量轻、强度高、成本低等特点，在建筑材料、汽车船舶、航空航天、医疗机械、家居家装、体育、环保节能、包装等诸多领域广泛应用。

橡胶化学发泡工艺是将发泡剂（复合发泡剂）均匀分散于橡胶基质中，在一定温度下，发泡剂分解生成一种或多种气体，在橡胶熔体中膨胀并在基体中形成泡孔结构，大大降低橡胶材料的密度[3]。在化学发泡过程中，橡胶生胶、硫化体系、补强防护体系和发泡体系必须良好配合。因此，橡胶发泡材料制备过程中需要平衡橡胶的发泡和硫化过程。本文通过系列实验考察了发泡过程中发泡剂的分解特性、发泡过程与硫化交联过程的平衡以及发泡剂用量材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

本研究中主要实验原料及详细信息如表1 所示：

表1 实验原料

1.2 主要仪器与设备

本研究中主要仪器及设备详细信息如表2 所示：

表2 主要仪器及设备

1.3 NBR 发泡工艺

通过双辊式开炼机将100 g NBR 生胶充分塑炼，使其相对分子质量减小，柔性增大；随后添加5 phr的氧化锌、2 phr 硬脂酸（硫化活化剂），2 phr 轻质碳酸钙（补强填料），2 phr CZ（硫化促进剂）1～9 phr（混合）发泡剂以及2phr 防老剂445，在开炼机上通过打卷和三角包将其均匀地分散在橡胶基体中，室温停放24 h，于在平板硫化机上发泡（170 ℃，20 min）。

1.4 表征方法

本实验在大气条件下以10 ℃/min 的扫描速度从30 ℃升温至300 ℃，在这个范围内得到发泡剂的TG曲线。

采用光学显微镜3D family 来观察发泡橡胶的形貌。

发泡橡胶的密度由DH-300 型密度计测定。取发泡橡胶和未发泡橡胶样品放置于样品台称量质量，随后将其置于水中（由于发泡橡胶密度比水小，测量密度时需用压物台保证样品全部浸没于水中），稳定后记录质量。发泡倍率按公式（1）计算：

式中：ρm表示混炼胶的密度；ρf表示发泡橡胶的密度。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂的分解特性研究

发泡剂NaHCO3在140.1 ℃时分解，168.3 ℃时分解速度最快，在整个分解范围最大失重仅有36.77%，因此可以判断在橡胶发泡过程中，NaCO3发气量是很小的；而在TG/DTG 曲线中，AC 发泡剂的分解过程显示是一个多步反应，AC 发泡剂的初始分解温度为217.3 ℃，在分解的第一阶段，其质量变化为63.23%，在第二阶段，其质量变化约为36%。根据DTG 曲线可以很容易地看出，在237 ℃时期分解速率最高，且曲线的峰型非常尖锐，伴随质量损耗大，这表明AC 发泡剂在分解过程中具备突发性；H 的初始分解温度为203 ℃，热失重峰值为208.3 ℃，最大失重为76%。与AC 发泡剂一样，H 在聚合物中的分散性很好，分解时能产生大量气体，其DTG 曲线峰型也十分尖锐，说明其热分解也具有突发性。

2.2 ZnO 用量对发泡剂AC 分解特性的影响

ZnO 的添加对AC 发泡剂的热分解性能有很大的影响，在m（AC）∶m（ZnO）=2∶1 时，发泡剂的分解温度从237.6 ℃降低至196 ℃；当ZnO 的含量进一步增加时，其分解温度降低至176 ℃，可见ZnO 的加入可以有效地降低AC 的热分解温度，且两者的比例为1∶1 时，降低分解温度的效果最好。

2.3 发泡剂复配的分解特性

结果表明，发泡丁腈橡胶的密度随H 值的升高呈现先减小后增大的趋势，当m（AC）∶m（H 发泡剂）=2∶1 时，制品密度最小。

2.4 发泡剂用量对发泡丁腈橡胶的影响

利用三维Family 光学显微镜对其进行了形态观察；用DH-300 型密度计对其进行了密度测定，用UT-2080 型电子拉伸机对其进行了机械性能测试。

2.4.1 发泡剂用量对发泡丁腈橡胶形貌的影响

当添加1 phr 发泡剂时，发泡丁腈橡胶具有孔径小、孔壁厚的特征，且随着发泡剂的增加，泡孔直径逐渐增大，泡孔壁厚也随之减小，当发泡剂的添加量达到9 phr 时，发泡橡胶出现了泡孔破裂和泡孔合并的现象，此时泡孔尺寸也极不均匀。而当发泡剂添加量达到9 phr，一旦温度达到分解温度，发泡剂急剧分解出大量气体，此时交联网络构建尚不完善，过量的气体膨胀生长，直至冲破泡孔壁溢出基体，泡孔破裂且孔径大小不一。当发泡剂用量恰当，使得硫化过程和发泡过程能够基本同步，发泡橡胶的密度能够有效降低，且泡孔圆润均匀，孔壁厚度适中，此时橡胶具有较好的综合性能。

2.4.2 发泡剂用量对发泡橡胶综合性能影响

发泡橡胶的密度随发泡剂用量的增大而减小，当发泡剂用量为1 phr 时，其密度下降到未发泡的一半，且随着发泡剂含量的增大，制品密度从0.420 g/cm3下降到0.188 g/cm3。并且降低的趋势随着发泡剂用量的增加逐渐减小。且发泡橡胶中发泡剂的含量越高，其抗拉强度和硬度越低，且这种下降趋势逐渐增大。

3 结论

通过研究发泡剂、发泡助剂和发泡剂复配的热分解行为，得到能与丁腈橡胶硫化过程相匹配的发泡剂用量，随后通过调节发泡剂的用量，研究其对发泡丁腈橡胶的结构、密度和性能的影响，从而得出当AC发泡剂添加发泡助剂在与H 发泡剂复配时，能够得到发泡丁腈橡胶制品，同时当混合发泡剂用量为6phr时，发泡丁腈橡胶的综合性能最佳。