碳纳米管对丁腈橡胶性能的影响

碳纳米管对丁腈橡胶性能的影响

碳纳米管（cnt）是一种由碳六个角（碳5边和碳7边组成的单层或多层纳米层材料组成的单层或多层纳米层材料。1试验部分1.1特、成都化学公司NBR3345,南帝化学工业有限公司生产;炭黑N550,卡博特公司生产;CNTIM3,IM4,IM6,中科院成都化学公司生产;CNTGTR,山东大展公司生产;硬脂酸(SA)、氧化锌(ZnO)、防老剂及各种促进剂等均为橡胶工业常用配合剂。1.2试验计划试验基本配方为:NBR100;SA1;ZnO5;防老剂3;加工助剂2;N550变量;硫化剂1.7;促进剂4.4;CNT变量。1.3仪器和仪器XK-160型开炼机,佰弘(上海)机械有限公司生产;0.5L试验密炼机,科创(上海)机械有限公司生产;RPA2000橡胶加工分析仪,美国阿尔法有限公司生产;德国Zwick电子万能试验机,德国Zwick公司生产;炭黑分散仪,美国阿尔法有限公司生产;50t平板硫化机,磐石油压工业公司生产;旋转油封试验台架,磐石油压工业公司生产。1.4炭黑cnt制作助剂按配方称料,用开炼机或者密炼机进行混炼,加料顺序为:生胶→硬脂酸、氧化锌→炭黑→CNT→加工助剂→硫化促进体系。硫化条件为170℃×20min×15MPa。产品通过挤出机进行半成品成型后与处理好的金属骨架复合一次硫化成型。骨架处理流程为:车削(冲压)→抛丸→超声波清洗→干燥→胶黏剂涂覆→胶黏剂固化。1.5性能、老化性能及耐介质实验胶料硬度测试按照GB/T531.1-2008进行;橡胶拉伸性能按照GB/T528-2009测定;橡胶回弹性能按照GB/T1681-2009测定;橡胶撕裂性能按照GB/T529-2008测定;橡胶压缩永久变形按照GB/T7759.2-2014测定;橡胶低温脆性温度按照GB/T15256-2014测定;橡胶的老化性能按照GB/T3512-2014测定;橡胶的耐介质实验按照GB/T1690-2006测定。RPA测试中,混炼胶应变扫描条件:80℃,频率1.7Hz,形变角度2%~300%;硫化胶应变扫描条件:80,频率10Hz,形变角度1%~50%。旋转轴油封台架试验按照GB/T14273进行,实验介质为322结果与讨论2.1对比4个案料的添加方式分别在配方中添加0、1、3、5、8、10、20份CNT,同时降低炭黑相应用量,保证配方总份数一致,制备了7种CNT改性的NBR试样。试样老化前后的硬度、拉伸强度、伸长率、模量对比如图1—4所示,CNT含量对撕裂强度的影响如图5所示,不同老化条件下的压缩永久变形对比如图6所示。从图1—6可以看出,随着CNT用量的增加,NBR的硬度、强度、100%定伸模量都有不同程度的增加,伸长率相应下降,撕裂强度变化不大;压缩永久变形随CNT用量的增加先缓慢变大,在CNT用量超过10份后压缩永久变形迅速增加。由此可看出CNT对橡胶的补强原理与其他纤维类并不不同。NBR老化后的伸长率随CNT用量的增加大幅度下降,表明CNT用量过大会导致NBR老化性能变差。从表1中NBR的其他性能比较可以看出,CNT用量对NBR的低温性能、回弹性能以及耐介质性能影响不大。图7、图8分别给出了混炼胶、硫化胶的损耗因子随CNT用量的变化关系。不同CNT用量的NBR混炼胶的损耗因子基本保持不变,说明CNT的添加对橡胶的混炼特性影响不大;而硫化胶的损耗因子随着CNT用量的增加明显增大,说明CNT用量的增加会增大橡胶内耗生热。综合以上研究结果,CNT的添加量为10份时NBR综合性能较好。2.2不同规格之间的性能对比分别将10份IM3、IM4、IM6、GTR4个牌号的CNT添加到基本配方中,测试制备的NBR基本性能,结果如表2所示。中科3种牌号IM3、IM4、IM6的性能见表3。从表2可以看出,GTR牌号的CNT性能与IM3几乎一致,从添加不同牌号的CNT的NBR的性能来看,添加了纤维长度短的CNT的NBR的压变性能会略优于添加了纤维长度长的CNT的NBR,其他性能都没有明显差异。因中科各牌号CNT成本是GTR牌号的3倍左右,在综合考虑NBR的材料性能以及CNT性价比的情况下,选择采用GTR牌号的CNT进行NBR改性试验。2.3r和cnt油封的测试采用添加GTR牌号CNT10份的配方,按照1.4中制样方法制备规格为100mm×125mm×12mm油封,进行台架试验。用作对比的普通NBR油封配方与含CNT配方仅有填料份数差异,即用20份N550炭黑替换10份CNT。试验台架设备如9所示。首先在4000r/min的转速下对普通NBR油封和添加10分CNT的油封进行测试。试验结果表明,普通NBR油封从第264h开始出现少量泄漏,到391h时泄漏量接近200mL,视为其密封失效,实验结束;而添加CNT的油封一直到第631h仍未出现泄漏。然后在6000r/min转速下对2种油封继续进行台架测试。结果表明,普通NBR油封第15h即产生125mL泄漏,试验停止;而添加CNT的油封从第476h开始出现少量泄漏,到底549h泄漏量达到98mL,试验停止。数次试验停止后油封唇口外观并无明显变化,说明并未发生明显老化。试验过程中添加CNT的油封油温略高于普通油封,但6000r/min下的油温并未明显高于4000r/min,说明添加CNT的油封运转过程中生热还是略高,但唇口并未发生明显老化,说明其导热性能较好,可将唇口生热及时地传导入油介质中。上述实验结果还表明,添加CNT的旋转轴密封制品的密封寿命与未添加CNT的油封相比有明显优势,尤其是在高速旋转的情况下更为明显。3用量和周期对产品的影响(1)CNT的添加对NBR的硬度、强度、模量都有不同程度提升,对撕裂性能、回弹性能、耐介质性能和低温性能影响不大。(2)添加纤维长度短的CNT的NBR压缩永久变形性能优于添加纤维长度长的C