正交試驗法研究EPDM的常溫和高溫壓縮永久變形

馬 妍

（南京利德東方橡塑科技有限公司，江蘇 南京 210028）

近年來，隨著國內(nèi)外汽車需求量和產(chǎn)銷量的增加，汽車及零部件品質(zhì)方面的要求不斷提高，尤其對橡膠密封制品的性能提出了更高的要求，而壓縮永久變形對制品的密封性、回彈性和使用壽命影響較大。因此，壓縮永久變形是橡膠密封制品的重要性能指標(biāo)之一。

三元乙丙橡膠（EPDM）具有突出的耐高溫、耐熱氧老化、耐化學(xué)介質(zhì)和電絕緣性，且較其他通用橡膠密度小、比熱容大、燒蝕率低、填充性大及綜合性能優(yōu)異，因而在橡膠密封制品中應(yīng)用非常廣泛，如板式換熱器、剎車皮碗、密封圈、密封條等。關(guān)于EPDM壓縮永久變形的研究已有不少報道[1-3]，內(nèi)容主要是有關(guān)各配合體系對較高溫度條件下EPDM壓縮永久變形的影響，而有關(guān)各配合體系對壓縮永久變形影響顯著性的研究未見報道。

本研究采用正交試驗法，主要分析硫化體系、補強(qiáng)填充體系和增塑體系的用量對EPDM常溫和高溫壓縮永久變形的影響，旨在探討配方中影響常溫和高溫壓縮永久變形的主要因子，從而對設(shè)計低壓縮永久變形配方起到指導(dǎo)作用。

1 實驗

1.1 主要原材料

EPDM，牌號4045，中國石油吉林石化公司產(chǎn)品；炭黑N550，無錫雙誠炭黑有限公司產(chǎn)品；石蠟油，牌號SUNPAR 2280，太陽石油遠(yuǎn)東有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

EPDM 100，氧化鋅 5，硬脂酸 1，過氧化二異丙苯（DCP）/N，N′-間亞苯基雙馬來酰亞胺（HVA-2） 變量，炭黑N550 變量，石蠟油變量。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開煉機(jī)，大連華韓橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XLB-D500×500型平板硫化機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；GT-M2000-A型無轉(zhuǎn)子硫化儀、GT-7024-EL型熱空氣老化箱和AI-3000型拉力試驗機(jī)，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料按常規(guī)工藝在開煉機(jī)上混煉，混煉膠停放24 h后硫化制樣。膠料的硫化時間因配方正硫化時間（t90）而異，具體條件為160 ℃/10 MPa×（t90+3 min）。試樣在室溫下停放16 h后進(jìn)行相關(guān)測試。

1.5 性能測試

拉伸性能按照GB/T 528—2009進(jìn)行測試，采用I型啞鈴狀試樣。壓縮永久變形按照GB/T 7759.1—2015進(jìn)行測試，采用A型試樣，壓縮率 25%，常溫23 ℃，高溫 150 ℃，壓縮時間 24 h。

2 正交試驗設(shè)計

2.1 試驗因子和水平的確定

經(jīng)分析，EPDM配方中影響常溫和高溫壓縮永久變形的主要因素有硫化體系、補強(qiáng)填充體系和增塑體系3個因素。

2.1.1 硫化體系

壓縮永久變形主要受交聯(lián)鍵的類型、交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及交聯(lián)密度等因素影響[4]。EPDM常用的硫化體系有硫黃硫化體系和過氧化物硫化體系，不同硫化體系硫化膠的壓縮永久變形差異較大，其中過氧化物硫化膠形成的碳-碳交聯(lián)鍵比硫黃硫化膠的單硫或多硫交聯(lián)鍵鍵能更高，因此采用過氧化物硫化體系壓縮永久變形優(yōu)勢明顯。DCP是應(yīng)用最普遍的過氧化物硫化劑，具有較高的交聯(lián)密度和良好的焦燒安全性，HVA-2是一種多功能橡膠助劑，能顯著改善膠料的耐熱性和降低壓縮永久變形。本研究選擇DCP/HVA-2作為EPDM的硫化體系，DCP/HVA-2用量比為4/1，3/2和2/3。

2.1.2 補強(qiáng)填充體系

炭黑作為應(yīng)用最廣泛的補強(qiáng)填料，可以賦予膠料良好的加工性能，并使膠料保持較好的定伸應(yīng)力和力學(xué)性能，同時可以大大降低膠料成本。本研究選擇中等粒徑且具有較高結(jié)構(gòu)的快壓出炭黑N550作為EPDM的補強(qiáng)填充體系，炭黑N550用量選擇40，60和80份。

2.1.3 增塑體系

在膠料中添加增塑劑可以降低膠料的粘度，改善膠料的加工性能，利于補強(qiáng)填充劑在膠料中的分散，提高硫化膠的彈性等。本研究選用石蠟油作增塑劑，石蠟油用量選擇10，20和30份。

2.2 因子與水平表

本研究考察的指標(biāo)是EPDM的常溫和高溫壓縮永久變形，需要測定膠料配方中幾種因子不同水平時的常溫和高溫壓縮永久變形，分析它們對試驗結(jié)果的影響規(guī)律及影響的顯著性，從而得出配方中影響常溫和高溫壓縮永久變形的主要因子。本試驗因子與水平的設(shè)計如表1所示。

表1 試驗因子與水平

3 結(jié)果與討論

3.1 正交試驗表和試驗數(shù)據(jù)

待考察的因子有3個，其相對應(yīng)的水平有3個，忽略各因子之間的相互作用，正交試驗表為四因子三水平，相應(yīng)的正交表頭為L9（34），其中的空列為誤差列，共進(jìn)行9次試驗，分三批進(jìn)行測試。L9（34）正交試驗表及其相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 L9（34）正交試驗表及試驗結(jié)果

3.2 正交試驗結(jié)果分析

對正交試驗結(jié)果的分析可以采用直觀分析法和方差分析法。直觀分析法雖然簡單易懂且計算量小，但不能區(qū)分某因子水平所對應(yīng)的試驗結(jié)果之間的差異究竟是由因子水平引起的還是由試驗誤差引起的，分析結(jié)論的可信度和精確度都不高[5]。而方差分析法關(guān)注誤差偏差平方和的大小和因子偏差平方和的大小，前者反映了由試驗技術(shù)和儀器引起的性能指標(biāo)波動情況，后者反映了由因子水平改變而引起的指標(biāo)波動[6]，可以確定影響結(jié)果的主要因子及其水平，分析結(jié)論具有很高的可信度和精確度。

本研究采用方差分析法，分別對試驗所得常溫和高溫壓縮永久變形進(jìn)行分析，結(jié)果如表3和4所示。

表3 常溫壓縮永久變形的方差分析

從表3可以看出，因子C的水平改變時，對試驗結(jié)果具有高度顯著的影響，因子A和B對其影響都不顯著，可見石蠟油的用量對EPDM常溫壓縮永久變形的影響最為顯著，石蠟油用量越小，常溫壓縮永久變形越小。常溫壓縮永久變形最小的因子組合為A3B2C1，即DCP/HVA-2用量比為2/3，炭黑N550用量為60份，石蠟油用量為10份。

從表4可以看出，因子A對高溫壓縮永久變形的影響顯著，其他因子對其影響都不顯著，即DCP/HVA-2的用量比對EPDM高溫壓縮永久變形的影響最為顯著，HVA-2用量越大，高溫壓縮永久變形越小，高溫壓縮永久變形最小的因子組合為A3B3C2，即DCP/HVA-2并用比例為2/3，炭黑N550用量為80份，石蠟油用量為20份。此外，無論是常溫還是高溫壓縮永久變形，炭黑用量的影響都不顯著，因此可以通過調(diào)整炭黑N550的用量來滿足不同制品的硬度要求。

表4 高溫壓縮永久變形的方差分析

由正交試驗結(jié)果分析可知，配方中影響常溫和高溫壓縮永久變形的主要因子并不同。在本試驗范圍內(nèi)，石蠟油用量是影響EPDM常溫壓縮永久變形的主要因子，而DCP/HVA-2用量比是影響EPDM高溫壓縮永久變形的主要因子。因此，在設(shè)計低壓縮永久變形配方時，需先了解橡膠制品的實際工作溫度。

4 結(jié)論

（1）對于EPDM常溫壓縮永久變形，石蠟油用量的影響高度顯著，其他因子的影響都不顯著，石蠟油用量越小，常溫壓縮永久變形越小。

（2）對于EPDM高溫壓縮永久變形，DCP/HVA-2用量比影響顯著，其他因子的影響都不顯著，HVA-2用量越大，高溫壓縮永久變形越小。

（3）炭黑N550用量對EPDM常溫和高溫壓縮永久變形影響都不顯著。