淺色填料對ACM耐油密封圈膠料性能的影響

王忠光，趙桂英，於舜堯，王瑤

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

汽車用密封圈用于防止汽車內(nèi)部的氣液外漏，并隔絕外來物質(zhì)進(jìn)入。工作時，耐油密封圈要承受高溫、低溫、壓力和各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，要求具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，耐高溫，彈性好，壓變低，同時對使用介質(zhì)具有良好的穩(wěn)定性能，還要易于加工成型等[1]。

丙烯酸酯橡膠是丙烯酸烷基酯單體與少量具有交聯(lián)活性基團(tuán)單體的共聚物[2]，聚合物主鏈?zhǔn)秋柡托停液袠O性的酯基，從而賦予丙烯酸酯橡膠以耐氧化性和耐臭氧性，并具有突出的耐烴類油溶脹性，正逐漸成為汽車耐油密封圈膠料的理想材料之一。由于丙烯酸酯橡膠本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致國內(nèi)ACM的配合體系還存在拉伸強(qiáng)度低、膠料穩(wěn)定性以及彈性差的缺陷，尤其是淺色膠料因?yàn)榧夹g(shù)問題難以配合和硫化。另外酸性補(bǔ)強(qiáng)填充劑不適用于ACM，最好使用中性或偏堿性填充劑[3～6]。炭黑是橡膠行業(yè)的重要補(bǔ)強(qiáng)劑之一，其補(bǔ)強(qiáng)膠料的性能明顯優(yōu)于白色填料。盡管炭黑混煉時污染高，不符合國家綠色發(fā)展的趨勢，但其仍然是ACM膠料首選的補(bǔ)強(qiáng)劑。堿性白炭黑、勃姆石等淺色填充劑，經(jīng)特殊工藝合成、表面改性處理后在橡膠行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。研究淺色填料作為ACM耐油密封圈膠料的補(bǔ)強(qiáng)填充劑，在對ACM耐油密封圈膠料力學(xué)性能影響不大的情況下，降低成本，減少炭黑用量，改善加工工藝，提高ACM耐油密封圈的綜合性能具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

原料：丙烯酸酯橡膠ACM，臺州立信橡膠科技有限公司產(chǎn)品；炭黑N550，天津利華化工有限公司產(chǎn)品；堿性白炭黑，天津盛浩達(dá)商貿(mào)有限公司產(chǎn)品；超細(xì)滑石粉，洛陽久益石化有限公司產(chǎn)品；納米纖維粉，玖川科技有限公司產(chǎn)品；勃姆石，淄博諾達(dá)化工有限公司產(chǎn)品；氧化鋅、硬脂酸，中國石化南京化工廠產(chǎn)品；DOS、硫化劑、促進(jìn)劑及防老劑等均為市售產(chǎn)品。

儀器：XM-1L密煉機(jī)，廣東利拿實(shí)業(yè)有限公司，XK-160型開煉機(jī)、QLB-50D/Q型平板硫化機(jī)，均為無錫第一橡塑廠；GT-M2000-A型無轉(zhuǎn)子硫化儀、電腦拉力機(jī)，均為臺灣高鐵科技股份有限公司；邵氏硬度計(jì)，江都市試驗(yàn)機(jī)械廠；熱空氣老化箱，南京五和實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 膠料配方

丙烯酸酯橡膠，100（質(zhì)量份，下同）；N550，68；氧化鎂，4；氧化鋅，5；硬脂酸，1.5；DOS：15；硫化劑，1.6；促進(jìn)劑，1.2；防老劑，1；淺色填料為變量，分別為：超細(xì)滑石粉8/堿性白炭黑8/納米纖維粉8/勃姆石 8。

1.3 試樣制備

在密煉機(jī)中加入丙烯酸酯橡膠、N550、DOS、氧化鋅、硬脂酸以及防老劑等物料，密煉后下料制得母煉膠，經(jīng)適當(dāng)停放后，在開煉機(jī)上分別添加淺色填料，混合均勻后，再加入硫化劑和促進(jìn)劑，薄通，打三角包5個，打卷3個，下片。

經(jīng)停放后在170℃測膠料的焦燒時間t10和工藝正硫化時間t90，并用平板硫化機(jī)制備相關(guān)的測試試樣；然后采用熱空氣老化箱進(jìn)行二次硫化，試驗(yàn)條件：溫度165℃，時間4 h。

1.4 性能測試

按GB/T16584—1996測試膠料的硫化特性，溫度設(shè)為170℃；拉伸、撕裂性能分別按GB/T528—1512—2001進(jìn)行測試，條件為150℃×72 h；耐介質(zhì)性能按GB/T 10541—2006測試，壓縮性能按GB/T 7759.1—2015測試，耐介質(zhì)和壓縮性能試驗(yàn)條件均為120℃×72 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 填充劑對膠料硫化特性的影響

表1為不同填充劑對膠料硫化特性的影響。

表1 不同填充劑對膠料硫化特性的影響

從表1可見，前4個配方膠料的焦燒時間和工藝正硫化時間整體變化不大，膠料操作安全性很好，不易焦燒，說明超細(xì)滑石粉、堿性白炭黑和納米纖維粉的添加對ACM膠料工藝性能影響不大；而勃姆石稍微增加了焦燒時間和工藝正硫化時間，說明加入博姆石會延遲硫化，但整體膠料硫化速度適中。

2.2 填充劑對膠料力學(xué)性能的影響

表2為不同填充劑對膠料力學(xué)性能的影響。

從表2可以看出，添加淺色填料，膠料的拉伸強(qiáng)度、100%定伸應(yīng)力均小于未添加膠料，其中添加納米纖維粉膠料的拉伸強(qiáng)度最小，添加勃姆石膠料的拉伸強(qiáng)度較大，堿性白炭黑膠料的100%定伸應(yīng)力最小。整體來看，4種淺色填料填充膠料的拉伸強(qiáng)度和100%定伸應(yīng)力相差不太明顯。從表2可以看出，添加淺色填料可以增加膠料的硬度，其中白炭黑填充膠的硬度均大于其他填充膠。加入淺色膠料會降低膠料的伸長率，勃姆石填充膠料扯斷伸長率最小，超細(xì)滑石粉的膠料扯斷伸長率較大；撕裂強(qiáng)度最大的是堿性白炭黑膠料，為19.91 kN/m，最小的是勃姆石和納米纖維粉膠料，說明勃姆石和納米纖維粉對膠料撕裂性能影響較大。

表 2 不同填充劑對膠料力學(xué)性能的影響

2.3 填充劑對膠料老化性能的影響

表3為不同填充劑對膠料老化性能的影響。

從表3可以看出，老化后膠料的硬度較老化前均有明顯的上升，硬度變化值最小的是堿性白炭黑填充膠料，其余膠料的硬度變化值相差不大。而老化后膠料的伸長率較老化前呈下降趨勢，變化最大的是勃姆石填充膠，最小的是超細(xì)滑石粉填充膠。堿性白炭黑和納米纖維粉填充膠老化后的拉伸強(qiáng)度大于老化前，其他填充膠料老化后拉伸強(qiáng)度均小于老化前。

2.4 填充劑對膠料壓變性能的影響

壓縮永久變形是密封圈膠的主要性能指標(biāo)之一，它反映了密封圈的密封性能。壓縮永久變形越大，膠料恢復(fù)變形的能力差，密封性不好，使用壽命短。相反，壓縮永久變形越小，回彈性越好，壓變性能越好。試驗(yàn)采用B型試樣，選取限位器高度為4.8 mm，測試試樣中心部位的高度，將試樣安裝禁錮于夾具內(nèi)，在恒溫120℃的老化箱內(nèi)，經(jīng)過72 h后取出夾具，適當(dāng)冷卻后打開夾具，取出試樣，室溫恢復(fù)30 min后，采用測厚計(jì)測試試樣中間部位的高度，最后按公式計(jì)算結(jié)果，取3個試樣壓縮永久變形的中值表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，保留整數(shù)位。表4為不同填充劑對膠料壓變性能的影響。

表3 不同填充劑對膠料老化性能的影響

從表4可以看出，添加勃姆石膠料的壓縮永久變形數(shù)值最小，其壓縮性能與未加淺色填料的膠料相差不大，但明顯小于其他淺色膠料，說明勃姆石的添加能改善膠料的壓縮性能，適合用于填充密封膠料中。

2.5 填充劑對膠料耐油性能的影響

耐油性通常采用體積變化率來表示；首先采用密度計(jì)分別測試矩形試樣在空氣及蒸餾水中的質(zhì)量，然后將試樣放在盛有一定機(jī)油的密閉容器中，在120℃的溫度下高溫浸泡72 h，冷卻至室溫后，取出試樣，擦干試樣表面的機(jī)油，在規(guī)定時間內(nèi)分別稱量浸泡后試樣在空氣及蒸餾水中的質(zhì)量，然后按照計(jì)算公式，得到膠料的體積變化率，取3個試樣體積變化率的中值表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]。表5為填充劑對膠料體積變化率的影響。

表4 不同填充劑對膠料壓變性能的影響。

從表5中看出，添加淺色填充劑膠料的體積變化率降低，其中加入超細(xì)滑石粉的膠料體積變化率最低，而加入勃姆石膠料的體積變化率較大；總之在ACM耐油密封圈膠料中添加淺色填充劑有利于降低膠料的體積變化率，提高膠料的耐介質(zhì)性能。

對比以上膠料的力學(xué)性能、耐老化，耐介質(zhì)以及壓變性能，堿性白炭黑膠料的綜合性能最好，較好的滿足了車用耐油密封圈的性能要求。

3 結(jié)論

添加淺色填充劑膠料均具有適宜的焦燒時間，加入勃姆石會延遲硫化，但效果不太明顯；超細(xì)滑石粉膠料的扯斷伸長率較高，耐油后體積變化率最小。堿性白炭黑膠料的撕裂強(qiáng)度、硬度最大；加入勃姆石能降低膠料的壓縮永久變形；經(jīng)熱空氣老化試驗(yàn)后，膠料的硬度增加，伸長率降低；綜合考慮力學(xué)性能、耐介質(zhì)、耐老化以及壓縮性能，堿性白炭黑填充膠的性能最優(yōu)。

表5 填充劑對膠料體積變化率的影響