芳纶浆粕增强三元乙丙橡胶复合材料的耐介质性能

1、卷第期第年月化工学报檭檭殐檭檭檭檭檭殐：（）（），），（，：；檭檭檭檭檭殐究生。研究论文（）常州大学高分子材料重点实验室，江苏常州上海兰邦工业浆粕有限公司，上海；）复合材料。考察了摘要：利用开练机制备了三元乙丙橡胶（）芳纶浆粕（用量对复合材料耐热老化性能以及耐介质性能的影响。采用称重法研究复合材料的溶胀行为，通过并联粘壶弹簧模型对实验曲线进行软件拟合，获得复合材料的溶胀动力学方程。结果表明：的加入有效地改善了复合材料的耐热老化性能以及耐介质性能，在相同条件下，当质量分数为时，复合材料的耐热老化性能和耐介质性能达到最佳；模复合材料的溶胀行为可以用型描述。的加入并不会改变基体的溶胀规律，仅对基体的

2、平衡溶胀度和链段溶胀运动的松弛时间产生影响；链段溶胀运动的松弛时间与平衡溶胀度均随着用量的增加而减小。关键词：芳纶浆粕；三元乙丙橡胶；复合材料；耐介质性；溶胀动力学模型：中图分类号：文献标志码：）文章编号：（，（，；，收到初稿，收到修改稿。，男，硕士研联系人：李锦春。第一作者：刘啸岗（）。基金项目：江苏省产学研联合创新资金项目（檭檭殐芳纶浆粕增强三元乙丙橡胶复合材料的耐介质性能刘啸岗，李锦春，尤秀兰，），：，：）（期第刘啸岗等：芳纶浆粕增强三元乙丙橡胶复合材料的耐介质性能··引言芳纶浆粕（）是对位芳纶纤维表面原纤化的产品，具有高模量、高强度、耐高温、。芳纶浆粕耐磨、耐化学腐

3、蚀和尺寸稳定等特点型获得复合材料的溶胀动力学方程，考察芳纶浆粕的加入对复合材料溶胀行为的影响，旨在为制造具有优异性能的密封材料提供实验依据。实验材料、仪器及设备三元乙丙橡胶，美国杜邦；芳纶浆粕母粒（芳纶浆粕的质量分数为，其余为载体和，上海兰邦工业浆粕有限公司。白炭黑，隔离剂）沉淀级，常州麦登橡塑有限公司。过氧化二异丙苯（，上海凌峰化学试剂有限公司。）开炼机，型，上海橡胶机械厂；平板硫化机，型，常州第一橡塑设备厂；电子万能试验机，型，深圳凯强实验仪器有限公司；邵氏硬度计，型，上海市六中量仪厂；电热恒温鼓风干燥箱，型，上海圣欣科学仪器公司；热失重分析仪，型，美国公司。试样的制备：基本配方（质量份）

4、，白炭黑，氧化锌，硬脂酸，防老剂，促进剂，硫磺，芳纶浆粕母粒变量。制备工艺：生胶塑炼后，在开炼机上依次加入硫化剂、活化剂、防老剂、芳纶浆粕母粒和促进剂进行混炼，薄通次后在平板硫化仪上进行硫化。，。硫化条件为，性能表征力学性能测试：按照测试拉伸性能；按照测试撕裂性能；按照测试邵尔型硬度。，工作氛围为氮热失重分析：取样·，升温速率为气，流量为·。表面呈毛绒状，纤维轴向尾端成针尖状，可增进它与橡胶的亲和力，因此非常适合作为一种增强纤维应用于密封产品中。但是芳纶浆粕的这种独特的纤维结构，使得纤维之间容易发生缠结而不易均匀地分散，且浆粕堆砌密度非常小，难以精确计量，因。在先前的实验中

5、发而大大地制约了它的应用现，芳纶浆粕以母粒的形式加入能改善其在三元乙基质中的分散性，使复合材料的力丙橡胶（）学性能和摩擦学性能得到明显的提高。过去密封材料基本上由天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶制成，现已逐步被取代。是乙烯、丙烯与第三单体的共聚物，以其结构单键多、饱和度高，显示出优越的耐热、耐天候及抗臭氧老化性能，是各种密封条的最佳选材。但密封材料在使用过程中要与各种介质长期接触，介质渗入橡胶中会使材料的性能下降，而且随着工作条件日渐苛刻，对密封制品的耐热老化性能提出了更高的。所以研究具有独特纤维结构的芳纶浆粕对要求三元乙丙橡胶耐热老化性能以及耐介质性能的影响，具有一定的现实意义。目前并联粘壶弹簧

6、模型在国内外溶胀动力学研究中的应用屡见不鲜。等曾用模型模拟高吸水树脂的吸水过程，孙元等则利用此模型来描述吸水性纤维的溶胀行为。模型是用来模拟交联高聚物在恒定较小外力作用下由链段运动产生高弹形变，并且形变随时间缓慢变化的蠕变过程，其函数关系为（）（）（）为形变随时间变化值；式中（）表示蠕变达到的平衡形变值；为松弛时间或推迟时间，表示形变推迟发生的时间量度值；是牛顿流体的黏度；为理想弹簧的模量。目前关于芳纶浆粕补强橡胶复合材料溶胀动力学的理论研究还很少，因此模型是否能准确地描述复合材料的溶胀行为也是本课题需要解决的问题之一。本文研究了复合材料的耐热老化性能和耐介质性能，并通过模耐热老化性能测试：按

7、照测试橡胶的耐热老化性能，试样呈自由状态悬挂在老化箱中进行实验。实验温度为，实验时间为，结束后按以上的标准进行相关力学性能的测试。相对交联密度（）的测定：采用平衡溶胀法测定，将已知质量（）的试样置于甲苯中，相对交联密溶胀至平衡，称取溶胀后质量（）计算度按式（）（）（··化工学报第卷式中生胶的密度为为生胶的密度，·；为溶剂的密度，甲苯的密度为·；为配方中生胶质量分数。耐介质性能测试：按照测试橡胶的溶胀度，试样尺寸为××一种高膨胀油）和标准。实验选取标准油（模拟液（异辛烷与甲苯体积比为的混合溶液）作为测试液体，浸渍温度分别为和，浸渍时间均

8、为，溶胀度采用增重率来表示×（）用量对复合材料耐热老化性能的影响的热空气下放置表给出了复合材料在后的性能变化。由表可以看到，随着芳纶浆粕用量的增加，复合材料经过热老化处理后的硬度变化，拉伸变化率，断裂伸长率变化率都呈现逐渐下降的趋势，浆粕用量为时，复合材料的拉伸强度仅下降了，与未加浆粕时相比提高了近，说明加入芳纶浆粕可以提高复合材料的耐热老化性能。这是因为芳纶浆粕具有优异的热稳定性，再加上以母粒形式加入的芳纶浆粕在基质中分散均匀，与橡胶之间有良好的界面结合力，有。效地限制了橡胶分子链的运动；为试样浸式中为试样浸泡前的质量，。泡后的质量，表芳纶浆粕用量对复合材料热老化性能的影响（）结果

9、与讨论的用量对复合材料相对交联密度和热性能的影响表为复合材料的相对交联密度和热性能随浆粕含量的变化，其中和分别为热分解起始温度以及质量损失率为时的热分解温度。从表中可以看到，加入芳纶浆粕后，复合材料的相对交联密度（）有了一定程度的增加，且当浆粕含量为时，相对交联密度达到了。这是因为浆粕的加入使复合材料的交联结构发生了一定的变化，不仅有大分子链形成的交联网络，而且还有浆粕纤维形成的立体网状结构的贡献，这无疑会使复合材料总的交联程度变大。此外可以看到，随着浆粕含量的增加，复合材料的热分解温度逐渐升高，在浆粕含量为时，热分解温度提高了。复合材料的热分解温度的提高显然与复合材料交联密度的增大以及芳纶浆

10、粕的加入有关。表芳纶浆粕的用量对复合材料相对交联密度和热性能的影响（）：用量对复合材料耐介质性能的影响芳纶浆粕用量对复合材料耐介质性能的影响如表所示。表中数据分别为复合材料在的标准油和在的标准模拟液中浸渍后的数据。从表可以看出，复合材料在标准模拟液和标准油浸泡后的力学性能变化均随着芳纶浆粕用量的增加呈减小的趋势。当浆粕用量为时，性能变化比较大，复合材料在标准油中浸泡后的拉伸强度相较在相同情况下提高了近；随着用量继续增加，复合材料的性能变化变缓，表明少量的芳纶浆粕就可以明显改善复合材料的耐介质性能。实验结果还表明，复合材料在两种介质中的溶胀度均随着浆粕用量的增加而逐渐下降。已有的研究认为，溶胀过

11、程与材料的结构密切相关，且主要。芳纶浆粕增强由介质分子的扩散所控制复合材料的聚集态结构与纯相比已发生了较大的变化，这种聚集态结构的变化会对其耐介质期第刘啸岗等：芳纶浆粕增强三元乙丙橡胶复合材料的耐介质性能表芳纶浆粕用量对复合材料耐介质性能的影响··（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）表复合材料的耐介质性能与浸渍时间的关系（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）能力产生影响。具有强耐介质性能的芳纶浆粕以三维网状结构存在于基体中不仅

12、限制了分子的链段相互移动或相对流动，还对介质分子的扩散产生阻挡或阻隔作用，从而在一定程度上限制了介质分子的扩散，这种“阻挡效应”有的延长而有所增大。与纯相比，复合材料力学性能随时间的变化更小。在标准油中浸渍后的拉伸强度与浸渍后的强度相比下降了，而复合材料的拉伸强度在相同条件下仅降低了，可见利用，增强可使在更长的浸渍时间内也能保持良好的耐介质性。复合材料的溶胀动力学由实验数据绘制曲线得到实验曲线，随后通过软件中自定义的模型进行拟合，得到拟合曲线以及相关动力学方程式。不同浆粕用量的复合材料在标准油和标准模拟液中的溶胀曲线如图所示，图中实线为实验曲线，虚线为拟合曲线。）可以获得浆粕用量为、由图（、的

13、复合材料在标准油中的溶胀度与时间的关系式（）利于改善复合材料的耐介质性能，但同时还必须注意到芳纶浆粕与基体间的存在的界面，其在介质中会因“毛细作用”而吸收介质，使复合材料的溶胀加剧。因此芳纶浆粕增强复合材料的溶胀度大小取决于上述效应共同作用的结果。表中复合材料的溶胀度随着浆粕含量的增加而下降的结果可以说明浆粕的“阻挡效应”在溶胀中起了主导作用。复合材料的耐介质性能随浸渍时间的变化和的表为纯用量为复合材料的耐介质性能随浸渍时间的变化规律，表中分子为复合材料在的标准油和在的标准模拟液中浸渍不同时间后的数据。从表中可以看出，和复合材料的硬度变化，拉伸强度变化率，断裂伸长率变化率都随着浸渍时间（）（）

14、（）··化工学报第卷网络的溶胀作用会使链段向外移动从而扩大链段之间的距离，随后可以产生更多的空间让介质进。在此过程中链段向溶液扩散，产生溶胀，入溶胀度随时间缓慢变化与高聚物蠕变过程是大致相同的。个拟合曲线方程式中的、也都近似为。此外式（）式（）中的、与表中的平衡溶胀值（按照，表中的溶胀度可近似为平衡溶胀度）非常接近。这进一步证实使用并联粘壶弹簧模型模拟复合材料的溶胀行为是可靠的，并且获得与模型完全相似的溶胀动力学方程（）（）式中（）为复合材料的平衡溶胀度；表示链段溶胀运动的松弛时间。通过分析复合材料的溶胀动力学方程，并与个拟合曲线方程式进行比较可以发现，芳纶浆粕的加入并没有

15、改变基体的溶胀规律，仅对基体的平衡溶胀度和链段溶胀运动的松弛时间产生影响。相同介质下，以式（）为例，式（图复合材料的溶胀曲线复合材料的平衡溶胀度随着浆粕用量的增加而下降，这是因为“阻挡效应”起了主导作用；链段溶胀运动的松弛时间随着芳纶浆粕用量的增加而减小，这是由于浆粕的加入提高了复合材料的模量和硬度，使复合材料具有较好的抗蠕变性能，从而比纯更快地达到平衡形变值。（）（）式中为溶胀度，为时间，为相关系数。由图（）可以获得浆粕用量为、的复合材料在标准溶液中的溶胀度与时间的关系式（）结论（）在本实验用量范围内，随着浆粕用量的增加，复合材料的相对交联密度和热分解温度逐渐上升，而经过热老化处理后的硬度变

16、化、拉伸变化率、断裂伸长率变化率都呈现逐渐降低的趋势，说明加入芳纶浆粕能提高的耐热老化性。（）在本实验用量范围内，复合材料的耐介质性能随着浆粕用量的增加逐渐提高，而用量的浆粕即能明显地改善复合材料的耐介质性能；随着浸渍时间的延长，和浆粕用量为的复合材料的力学性能均有所下降，相比之下复合材料的力学性能随着浸渍时间的变化更为稳定。（）（）（）（）（）复合材料的个拟合曲线方程式的相关系数都很接近，说明并联粘壶弹簧模型可以用来模拟复合材料的溶胀行为。的线性大分子链通过化学交联作用后形成三维空间网状结构，这种三维网络的溶胀过程与交。因为介质进入联高聚物的蠕变过程非常类似期第刘啸岗等：芳纶浆粕增强三元乙丙橡胶复合材料的耐介质性能··（）并联粘壶弹簧模型适合模拟复合材料的溶胀过程，由该函数建立的溶胀动力学方程为：（）（。浆粕的加入并不会改变基体的溶胀规）律，仅对基体的溶胀度和链段溶胀运动的松弛时间产生影响。复合材料的平衡溶胀度和链段溶胀运动的松弛时间都随着浆粕用量的增加而显著下降。，王炜）