氫化丁腈橡膠耐鹽酸性能的研究

張清紅

（上海贊南科技股份有限公司，上海 201108）

氫化丁腈橡膠（HNBR）是20世紀80年代開發(fā)的丁腈橡膠（NBR）新品種，與傳統(tǒng)NBR相比，其分子結(jié)構(gòu)中含有少量或不含碳-碳雙鍵，是一種高飽和極性橡膠，最高耐受溫度可達150 ℃以上，保持了NBR優(yōu)異的耐油及耐化學(xué)介質(zhì)性能，在高溫油氣環(huán)境中長期使用仍能保持優(yōu)異的彈性和穩(wěn)定的力學(xué)性能，同時還具有良好的耐熱、耐高溫、耐高壓和耐臭氧等性能，由于拉伸結(jié)晶，其拉伸性能也十分優(yōu)異。HNBR可用在要求具有極限韌度或優(yōu)異的耐滲透性能的耐高溫、耐油產(chǎn)品中。例如，油氣田含有較多的二硫化氫、鹽酸等有腐蝕性的酸性介質(zhì)，且工況具有高溫高壓的特征，HNBR被廣泛應(yīng)用于油氣領(lǐng)域中的密封圈、墊片、封隔器等產(chǎn)品[1-4]。

本工作選用國產(chǎn)Zhanber?HNBR系列產(chǎn)品為基體材料，研究HNBR丙烯腈含量、飽和度和硫化體系對HNBR膠料耐鹽酸性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

HNBR，上海贊南科技股份有限公司產(chǎn)品，不同牌號HNBR的性能如表1所示。其他原材料均為市售品。

表1 不同牌號HNBR生膠的性能

1.2 主要設(shè)備和儀器

152.4 mm（6英寸）兩輥開煉機，威福興機械（上海）有限公司產(chǎn)品；400×400 mm雙層自動硫化機，江都區(qū)昌隆試驗機械廠產(chǎn)品；M2000AN型無轉(zhuǎn)子硫化儀和TCS-2000型萬能電子拉力機，高特威爾檢測儀器（青島）有限公司產(chǎn)品；電熱鼓風恒溫箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗配方

試驗配方如表2所示。

表2 試驗配方 份

牌號為ZN35056和ZN43259的HNBR分子鏈中雙鍵的質(zhì)量分數(shù)小于1%，只能采用過氧化物硫化體系進行硫化，其余4個牌號的HNBR分子鏈中雙鍵的質(zhì)量分數(shù)大于5%，均可采用過氧化物或硫黃硫化體系進行硫化。因此，硫化體系研究中選擇牌號為ZN28255，ZN35156和ZN35256的HNBR制備硫化膠，研究2種硫化體系對HNBR耐鹽酸性能的影響。

1.4 試樣制備

膠料在兩輥開煉機上按照常規(guī)混煉工藝混煉，混煉膠停放12 h后采用硫化儀測試硫化特性。

混煉膠在平板硫化機上進行一段硫化，硫化條件為170 ℃×t90，然后在電熱鼓風恒溫箱中進行二段硫化，硫化條件為150 ℃×4 h。

1.5 性能測試

混煉膠的硫化特性按照GB/T 16584—1996進行測試，溫度為170 ℃。

硫化膠的拉伸性能按照GB/T 528—2009進行測試，拉伸速度為500 mm·min-1，測試溫度為室溫；耐鹽酸性能按照GB/T 1690—2010進行測試，硫化膠試樣在稀鹽酸中浸泡90 ℃×72 h后，測試硫化膠的拉伸性能和體積變化率，因鹽酸具有較強的揮發(fā)性，故本試驗選擇質(zhì)量分數(shù)為20%的稀鹽酸。

2 結(jié)果與討論

2.1 H NBR丙烯腈含量對膠料耐鹽酸性能的影響

不同丙烯腈含量HNBR硫化膠的耐鹽酸性能如表3所示，3種牌號HNBR硫化膠采用過氧化物硫化體系制備。

表3 不同丙烯腈含量HNBR硫化膠的耐鹽酸性能

從表3可以看出：3種相同飽和度、不同丙烯腈含量的HNBR硫化膠經(jīng)過耐鹽酸試驗后，硬度和體積均增大，拉伸強度和拉斷伸長率均減??；丙烯腈含量最小的牌號為ZN28255的HNBR硫化膠的性能變化最小，耐鹽酸性能最好。由于鹽酸可以與HNBR中的丙烯腈單元反應(yīng)[2]，同時腈基基團在酸性水解過程中水解為酰胺基團和少量的丙烯酸基團[5-9]，與橡膠大分子鏈發(fā)生反應(yīng)，因此丙烯腈含量較大的牌號為ZN43259的HNBR硫化膠的體積變化率最大。

2.2 HNBR飽和度對膠料耐鹽酸性能的影響

不同飽和度HNBR硫化膠的耐鹽酸性能如表4所示，3種牌號HNBR硫化膠均采用過氧化物硫化體系制備。

表4 不同飽和度HNBR硫化膠的耐鹽酸性能

從表4可以看出：3種相同丙烯腈含量和門尼粘度、不同飽和度的HNBR硫化膠經(jīng)過耐鹽酸試驗后，硬度和體積均增大，拉伸強度和拉斷伸長率均減??；HNBR的飽和度越低，硫化膠的硬度變化越小，拉伸強度變化越大，拉斷伸長率變化差異不明顯，體積變化率明顯減小，飽和度最低的牌號為ZN35256的HNBR硫化膠的綜合性能變化最小，耐鹽酸性能最好。這可能與HNBR硫化膠的交聯(lián)密度有關(guān)，HNBR的飽和度越低，即雙鍵含量越高，采用相同硫化體系制備的HNBR硫化膠的交聯(lián)密度越大，橡膠網(wǎng)絡(luò)中的交聯(lián)點越多，化學(xué)介質(zhì)分子越不容易進入橡膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，硫化膠的耐化學(xué)介質(zhì)溶脹性能越好。另一方面，雙鍵比單鍵具有更大的極性，丙烯腈含量相同時，飽和度較低的HNBR的極性較強，對化學(xué)介質(zhì)的吸收較差，溶脹行為更不明顯。

2.3 硫化體系對HNBR耐鹽酸性能的影響

不同硫化體系HNBR硫化膠的耐鹽酸性能如表5所示。

表5 不同硫化體系HNBR硫化膠的耐鹽酸性能

從表5可以看出：對比3個牌號HNBR，兩種硫化體系制備的HNBR硫化膠的硬度、質(zhì)量和體積均增大，拉伸強度和拉斷伸長率均減?。慌c采用過氧化物硫化體系的HNBR硫化膠相比，采用硫黃硫化體系的HNBR硫化膠的硬度、拉伸強度、拉斷伸長率以及質(zhì)量和體積的變化更小，耐鹽酸性能更好。

3 結(jié)論

（1）不同牌號HNBR硫化膠經(jīng)過90 ℃×72 h條件下的耐鹽酸試驗后，均呈現(xiàn)硬度和體積增大、拉伸強度和拉斷伸長率減小的趨勢。

（2）丙烯腈含量較小、飽和度較低的HNBR硫化膠的耐鹽酸性能更好。

（3）與采用過氧化物硫化體系的HNBR硫化膠相比，采用硫黃硫化體系的HNBR硫化膠的耐鹽酸性能更好。