炭黑等填料对氟橡胶性能的影响分析

　　摘要：研究了3种填料（氟化钙、硫酸钡、炭黑）对氟橡胶力学性能及加工性能的影响。结果表明，采用氟化钙对氟橡胶补强作用最明显，但降低了压缩永久变形性能；而炭黑对氟橡胶的综合性能改善最佳。 　　关键词：氟橡胶 氟化钙 硫酸钡 炭黑 　　氟橡胶是主链或侧链碳原子上含有氟原子的一种合成高分子弹性体。氟原子的电负性极高，使得C-F键键能较大（大约110kJ.mol-1），同时促使C-C主链键能提高（97kJ.mol-1），并在F-H之间利用强范德华力形成氢键，且其原子半径（0.064mm）相当于C-C键的一半，因此能够紧密地排列在碳原子周围，对聚合物C-C主链产生很强地屏蔽作用，从而赋予了含氟高聚物高度稳定性。由于氟橡胶这种化学结构，使得氟橡胶基体与绝大多数填料之间并不存在化学作用，也很难找到一种合适的表面活性剂对填料进行表面改性处理，所以氟橡胶与现今普遍使用的填料之间的界面粘合强度较弱。然而，填料却可增大体积、降低成本，改善力学性能及加工工艺性能等，对于氟橡胶这种昂贵的特种橡胶来说，其作用更加明显。研究填充体系对氟橡胶力学性能及加工工艺性能的影响具有重要的意义。本文选用了3种典型的填料（氟化钙、硫酸钡、炭黑）来探讨填料对氟橡胶性能的影响及其在使用上所体现的优缺点。 　　1、实验 　　1.1 原材料 　　氟橡胶26，门尼粘度[ML（1+10）121℃]为42，双酚AF，BPP，Ca（OH）2，活性氧化镁，N990，巴西棕蜡；氟化钙和硫酸钡。 　　1.2 需要的实验设备 　　开炼机，XK13-021-003型；无转子硫化仪，GT-M2000A型；拉力机，GT-TCS-2000型；邵尔A型硬度计；平板硫化机，KSHR100型；扫描电子显微镜，GSM-5900LV型。 　　1.3 试样制备基本配方 　　氟橡胶，100；双酚AF，2；BPP，0.5；Ca（OH）2，6；活性氧化镁，3；巴西棕蜡，1；填料（氟化钙、硫酸钡、炭黑N990），变量。用开炼机混炼，加料顺序为：氟橡胶→活性氧化镁→氢氧化钙→巴西棕蜡→填料→双酚AF→BPP。混炼时辊温不超过50℃，混炼后停放12h以上，然后返炼、薄通10遍。一段硫化采用平板硫化机，硫化条件为170℃×10min；二段硫化采用热空气老化箱，硫化条件为230℃×24h。 　　1.4 性能测试 　　拉伸强度、拉断伸长率按GB/T528-1998测试；撕裂强度按GB/T529-1999测试；硬度采用邵尔A硬度，按GB/T531-1999测试；压缩永久变形按GB/T7759-1996测试，测试条件为200℃×24h，压缩25%；硫化转矩测试温度为170℃。 　　2、结果与讨论 　　2.1 硫化特性的研究 　　对3种填料填充氟橡胶的硫化特性曲线分析，胶料的焦烧时间、正硫化时间和加工流动性等参数见表1。 　　由表1可以看出，不同填料对混炼胶硫化时间有一定影响，氟化钙和硫酸钡体系的焦烧时间缩短，这对实际硫化操作不利；而炭黑填充的混炼胶焦烧时间延长，具有良好的焦烧安全性。表1中ML表示胶料的最小转矩，ML值越小，说明胶料的塑性和流动性越好；MH表示胶料的最大转矩，MH值越大，说明硫化胶的交联密度或模量越大。实验结果显示，只有炭黑改善了胶料在硫化成型过程中的流动性，这有利于加工工艺性能的提高；而3种填料的MH都有不同程度的降低，这是由于在相同用量的硫化体系下，随着填料的加入，降低了单位体积的硫化剂含量，所以相应的交联密度就会降低。 　　2.2 力学性能的分析 　　在相同工艺条件下，向氟橡胶中分别加入氟化钙、硫酸钡、炭黑N990等填料，其力学性能测试结果见表2。 　　由表2可以看出，随着填料的加入，混炼胶拉伸强度都有很大程度的提高，特别是30份氟化钙，增幅达到了60%左右；其次是炭黑和硫酸钡，增幅分别达到了35%和25%，这说明了3种填料都起到了一定的补强作用。氟化钙和炭黑对抗撕裂性能的作用比较显著，相对于不加填料的氟橡胶体系，撕裂强度都有了明显的提高；而硫酸钡的变化不大。从表2还可知，填料的加入，尤其是炭黑大幅度提高了硫化胶的抗变形能力，特别是含炭黑的硫化胶，其100%定伸应力和硬度明显增加；而含硫酸钡的提高幅度不大。添加炭黑的胶料具有较低的压缩永久变形。这对于26型氟橡胶在密封件方面的应用有利，所以炭黑填充的硫化胶在这方面的应用占有很大优势。 　　综上所述，30份氟化钙和炭黑对26型氟橡胶力学性能的改善是较为明显的；特别是炭黑填充的氟橡胶，综合性能最佳。 　　3、结语 　　填料粒径、形态、表面活性等因素对氟橡胶力学性能及加工性能具有决定性影响作用。氟化钙对26型氟橡胶的补强作用最为明显，但它的使用会让氟橡胶的压缩永久变形性能变差。炭黑N990对26型氟橡胶的补强效果没有氟化钙好，但它有助于提高压缩永久变形性能，综合性能也在3种填料中最佳。 　　参考文献 　　[1]陈青，魏伯荣等.氟橡胶的改性研究进展[J].特种橡胶制品，2009，25（2）：57～61. 　　[2]傅政.橡胶材料性能[M].北京：化学工业出版社，2011. 　　[3]徐竹，马俊辉等.不同填料对246型氟橡胶性能的影响[J].特种橡胶制品，2010，26（6）：21～23.