添加氧化鈰對(duì)硅橡膠耐熱性和耐油性的影響

硅橡膠以其優(yōu)異的耐候性、耐高低溫性、電絕緣性、耐輻射性、生物惰性等在電氣、電子、辦公設(shè)備、汽車、建筑、*療、食品和人造器官等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。硅橡膠在-60～200℃范圍內(nèi)可長期使用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)硅橡膠耐熱性的要求越來越高。如高速汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙溫度經(jīng)常在300℃以上,對(duì)橡膠配件提出了更高的耐油、耐高低溫要求。因此,開展提高硅橡膠熱穩(wěn)定性的研究、制造具有更高使用溫度的硅橡膠具有實(shí)際意義。國內(nèi)外就耐高溫硅橡膠已進(jìn)行了多方面的研究[2-3]。如在硅橡膠主鏈引入芳撐或芳醚撐等結(jié)構(gòu),但此法成本較高,主要應(yīng)用于特殊領(lǐng)域;在硅橡膠中加入耐熱添加劑,如三氧化二鐵、氧化鈰、六苯基環(huán)三硅氮烷等,可以防止聚硅氧烷側(cè)鏈氧化交聯(lián)和主鏈環(huán)化降解[4]。納米氧化鈰作為一種有效的硅橡膠耐熱添加劑,在制備淺色硅橡膠制品中起著重要作用[5]。稀土鈰特殊的電子結(jié)構(gòu)(f電子層未充滿)使其容易形成配合物,所形成的配合物通過阻止橡膠分子的鏈段運(yùn)動(dòng),抑制了橡膠在溶劑中的溶脹,從而提高了橡膠的耐油性[6]。所以本實(shí)驗(yàn)考察了氧化鈰用量對(duì)耐油硅橡膠的耐熱性及綜合性能的影響,以期為制造耐高溫、耐油密封材料提供依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　主要原料

耐油硅橡膠混煉膠:SH745U,美國道康寧公司;氧化鈰、過氧化二異丙苯。

1.2　試樣制備

基本配方:耐油硅橡膠100份,過氧化二異丙苯110份,氧化鈰為變量。
室溫下將耐油硅橡膠混煉膠放入開煉機(jī)中混煉,包輥后加入氧化鈰、硫化劑過氧化二異丙苯,混煉均勻后把輥距調(diào)至2mm左右,打卷十遍后下片;混煉膠在室溫下停放1天后返煉,下片,硫化。一次硫化條件170℃×5min;二次硫化條件200℃×2h。

1.3　性能測(cè)試

拉伸性能:按GB/T528—1998測(cè)定;硬度:按GB/T531—1999測(cè)定;沖擊彈性:按GB/T1681—1991測(cè)定;耐油性:按GB/T1690—1992測(cè)定;耐熱老化性:按GB/T3512—2001測(cè)定;熱解質(zhì)量分析儀(TG/DTA):209F1,德國Netzsch公司,工作溫度范圍0～1000℃,動(dòng)態(tài)模式下升溫度速率10℃/min,樣品質(zhì)量15～20mg。

2　結(jié)果與討論

2.1　氧化鈰用量對(duì)硅橡膠耐熱性和耐油性的影響

硅橡膠在高溫下主要發(fā)生主鏈降解和側(cè)鏈甲基的氧化反應(yīng)。在硅橡膠中加入(過渡、稀土、堿土等)金屬氧化物能提高硅橡膠的耐熱性能。其可能的機(jī)理是某些具有氧化-還原作用的金屬氧化物(如Fe2O3、CeO2)在一定的溫度范圍內(nèi)能夠阻止硅橡膠中由于氧化產(chǎn)生的游離基反應(yīng),而且能在空氣中的O2的作用下再生;而某些金屬化合物可能吸收了硅橡膠中某些能夠催化降解反應(yīng)的微量酸或堿性物質(zhì),從而對(duì)硅橡膠起到熱穩(wěn)定作用[5]。氧化鈰用量對(duì)硅橡膠耐熱和耐油性能的影響見表1。

由表1可以看出,隨著氧化鈰用量的增加,硅橡膠經(jīng)高溫處理后的硬度、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率變化率都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),說明氧化鈰能提高硅橡膠的耐熱性;在ASTM1#和ASTM3#油中浸泡后的力學(xué)性能變化率和體積變化率也呈現(xiàn)下降趨勢(shì),說明氧化鈰能在提高硅橡膠的耐熱性的同時(shí),改善其耐油性。從表1還可以看出,當(dāng)氧化鈰用量增至5份時(shí),性能變化較大;用量再增加時(shí),性能變化較小。
圖1、圖2分別是硅橡膠在氮?dú)夂涂諝庵械腡G及DTG曲線。

由圖1可知,在氮?dú)猸h(huán)境下,與未加氧化鈰的硅橡膠相比,加入10份氧化鈰的硅橡膠的熱分解溫度的峰值提高13℃;同時(shí)在89817℃時(shí)的固體殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高11個(gè)百分點(diǎn)。說明在氮?dú)猸h(huán)境下氧化鈰對(duì)硅橡膠具有熱穩(wěn)定作用[7]。由圖2可知,在空氣中,硅橡膠的熱失重曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值,主要是側(cè)鏈的氧化斷裂和主鏈的降解。對(duì)比兩個(gè)熱分析圖可知,硅橡膠中加入氧化鈰提高了兩個(gè)階段的熱分解溫度,一階段熱分解溫度提高了2518℃,**階段熱分解溫度提高了911℃;同時(shí),在89817℃時(shí)的固體殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了近3個(gè)百分點(diǎn)。說明在空氣中氧化鈰也對(duì)硅橡膠具有熱穩(wěn)定作用。

2.2　氧化鈰用量對(duì)硅橡膠力學(xué)性能的影響

氧化鈰用量對(duì)硅橡膠力學(xué)性能的影響見表2。

從表2可以看出,隨著氧化鈰用量的增加,硅橡膠的硬度略有提高,拉伸強(qiáng)度變化不大,回彈性和拉斷伸長率有所下降。即隨氧化鈰用量的增加,硅橡膠的力學(xué)性能有下降的趨勢(shì)。綜合考慮膠料的耐熱性和耐油性,氧化鈰的用量以5份為宜。

3　結(jié)論

加入氧化鈰對(duì)硅橡膠力學(xué)性能的影響較小,但能提高硅橡膠的耐熱性,同時(shí)能明顯改善其耐油性,氧化鈰的較佳用量為5份。通過熱分析可知,與未加氧化鈰的硅橡膠相比,加入10份氧化鈰的硅橡膠在氮?dú)猸h(huán)境下的熱分解溫度的峰值提高13℃,同時(shí)在89817℃時(shí)的固體殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高11個(gè)百分點(diǎn);在空氣中一階段熱分解溫度的峰值提高了2518℃,**階段提高了911℃,同時(shí)在89817℃時(shí)的固體殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高近3個(gè)百分點(diǎn)。說明氧化鈰對(duì)硅橡膠具有熱穩(wěn)定作用。