添加氧化铈对硅橡胶耐热性和耐油性的影响

硅橡胶以其优异的耐候性、耐高低温性、电绝缘性、耐辐射性、生物惰性等在电气、电子、办公设备、汽车、建筑、*疗、食品和人造器官等领域有着广泛的应用[1]。硅橡胶在-60～200℃范围内可长期使用。随着现代科学技术的发展,对硅橡胶耐热性的要求越来越高。如高速汽车的发动机机舱温度经常在300℃以上,对橡胶配件提出了更高的耐油、耐高低温要求。因此,开展提高硅橡胶热稳定性的研究、制造具有更高使用温度的硅橡胶具有实际意义。国内外就耐高温硅橡胶已进行了多方面的研究[2-3]。如在硅橡胶主链引入芳撑或芳醚撑等结构,但此法成本较高,主要应用于特殊领域;在硅橡胶中加入耐热添加剂,如三氧化二铁、氧化铈、六苯基环三硅氮烷等,可以防止聚硅氧烷侧链氧化交联和主链环化降解[4]。纳米氧化铈作为一种有效的硅橡胶耐热添加剂,在制备浅色硅橡胶制品中起着重要作用[5]。稀土铈特殊的电子结构(f电子层未充满)使其容易形成配合物,所形成的配合物通过阻止橡胶分子的链段运动,抑制了橡胶在溶剂中的溶胀,从而提高了橡胶的耐油性[6]。所以本实验考察了氧化铈用量对耐油硅橡胶的耐热性及综合性能的影响,以期为制造耐高温、耐油密封材料提供依据。

1　实验

1.1　主要原料

耐油硅橡胶混炼胶:SH745U,美国道康宁公司;氧化铈、过氧化二异丙苯。

1.2　试样制备

基本配方:耐油硅橡胶100份,过氧化二异丙苯110份,氧化铈为变量。
室温下将耐油硅橡胶混炼胶放入开炼机中混炼,包辊后加入氧化铈、硫化剂过氧化二异丙苯,混炼均匀后把辊距调至2mm左右,打卷十遍后下片;混炼胶在室温下停放1天后返炼,下片,硫化。一次硫化条件170℃×5min;二次硫化条件200℃×2h。

1.3　性能测试

拉伸性能:按GB/T528—1998测定;硬度:按GB/T531—1999测定;冲击弹性:按GB/T1681—1991测定;耐油性:按GB/T1690—1992测定;耐热老化性:按GB/T3512—2001测定;热解质量分析仪(TG/DTA):209F1,德国Netzsch公司,工作温度范围0～1000℃,动态模式下升温度速率10℃/min,样品质量15～20mg。

2　结果与讨论

2.1　氧化铈用量对硅橡胶耐热性和耐油性的影响

硅橡胶在高温下主要发生主链降解和侧链甲基的氧化反应。在硅橡胶中加入(过渡、稀土、碱土等)金属氧化物能提高硅橡胶的耐热性能。其可能的机理是某些具有氧化-还原作用的金属氧化物(如Fe2O3、CeO2)在一定的温度范围内能够阻止硅橡胶中由于氧化产生的游离基反应,而且能在空气中的O2的作用下再生;而某些金属化合物可能吸收了硅橡胶中某些能够催化降解反应的微量酸或碱性物质,从而对硅橡胶起到热稳定作用[5]。氧化铈用量对硅橡胶耐热和耐油性能的影响见表1。

由表1可以看出,随着氧化铈用量的增加,硅橡胶经高温处理后的硬度、拉伸强度和拉断伸长率变化率都呈现减小的趋势,说明氧化铈能提高硅橡胶的耐热性;在ASTM1#和ASTM3#油中浸泡后的力学性能变化率和体积变化率也呈现下降趋势,说明氧化铈能在提高硅橡胶的耐热性的同时,改善其耐油性。从表1还可以看出,当氧化铈用量增至5份时,性能变化较大;用量再增加时,性能变化较小。
图1、图2分别是硅橡胶在氮气和空气中的TG及DTG曲线。

由图1可知,在氮气环境下,与未加氧化铈的硅橡胶相比,加入10份氧化铈的硅橡胶的热分解温度的峰值提高13℃;同时在89817℃时的固体残余质量分数提高11个百分点。说明在氮气环境下氧化铈对硅橡胶具有热稳定作用[7]。由图2可知,在空气中,硅橡胶的热失重曲线出现两个峰值,主要是侧链的氧化断裂和主链的降解。对比两个热分析图可知,硅橡胶中加入氧化铈提高了两个阶段的热分解温度,一阶段热分解温度提高了2518℃,**阶段热分解温度提高了911℃;同时,在89817℃时的固体残余质量分数提高了近3个百分点。说明在空气中氧化铈也对硅橡胶具有热稳定作用。

2.2　氧化铈用量对硅橡胶力学性能的影响

氧化铈用量对硅橡胶力学性能的影响见表2。

从表2可以看出,随着氧化铈用量的增加,硅橡胶的硬度略有提高,拉伸强度变化不大,回弹性和拉断伸长率有所下降。即随氧化铈用量的增加,硅橡胶的力学性能有下降的趋势。综合考虑胶料的耐热性和耐油性,氧化铈的用量以5份为宜。

3　结论

加入氧化铈对硅橡胶力学性能的影响较小,但能提高硅橡胶的耐热性,同时能明显改善其耐油性,氧化铈的较佳用量为5份。通过热分析可知,与未加氧化铈的硅橡胶相比,加入10份氧化铈的硅橡胶在氮气环境下的热分解温度的峰值提高13℃,同时在89817℃时的固体残余质量分数提高11个百分点;在空气中一阶段热分解温度的峰值提高了2518℃,**阶段提高了911℃,同时在89817℃时的固体残余质量分数提高近3个百分点。说明氧化铈对硅橡胶具有热稳定作用。