添加氧化鈰對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,對硅橡膠耐熱性的要求越來越高。如高速汽車的發(fā)動機機艙溫度經(jīng)常在300℃以上,對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動,抑制了橡膠在溶劑中的溶脹,從而提高了橡膠的耐油性[6]。所以本實驗考察了氧化鈰用量對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　實驗

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　性能測試

拉伸性能:按GB/T528—1998測定;硬度:按GB/T531—1999測定;沖擊彈性:按GB/T1681—1991測定;耐油性:按GB/T1690—1992測定;耐熱老化性:按GB/T3512—2001測定;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),從而對硅橡膠起到熱穩(wěn)定作用[5]。氧化鈰用量對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、拉伸強度和拉斷伸長率變化率都呈現(xiàn)減小的趨勢,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,說明氧化鈰能在提高硅橡膠的耐熱性的同時,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,性能變化較大;用量再增加時,性能變化較小。
圖1、圖2分別是硅橡膠在氮氣和空氣中的TG及DTG曲線。

由圖1可知,在氮氣環(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℃;同時在89817℃時的固體殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高11個百分點。說明在氮氣環(huán)境下氧化鈰對硅橡膠具有熱穩(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)兩個峰值,主要是側(cè)鏈的氧化斷裂和主鏈的降解。對比兩個熱分析圖可知,硅橡膠中加入氧化鈰提高了兩個階段的熱分解溫度,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,在89817℃時的固體殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了近3個百分點。說明在空氣中氧化鈰也對硅橡膠具有熱穩(wěn)定作用。

2.2　氧化鈰用量對硅橡膠力學(xué)性能的影響

氧化鈰用量對硅橡膠力學(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。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氣環(huán)境下的熱分解溫度的峰值提高13℃,同時在89817℃時的固體殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高11個百分點;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℃,同時在89817℃時的固體殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高近3個百分點。說明氧化鈰對硅橡膠具有熱穩(wěn)定作用。