添加氧化鈰對矽橡膠耐熱性和耐油性的影響

矽橡膠以其優異的耐候性、耐高低溫性、電絕緣性、耐輻射性、生物惰性等在電氣、電子、辦公設備、汽車、建築、*療、食品和人造器官等領域有著廣泛的應用[1]。矽橡膠在-60～200℃範圍內可長期使用。隨著現代科學技術的發展,對矽橡膠耐熱性的要求越來越高。如高速汽車的發動機機艙溫度經常在300℃以上,對橡膠配件提出了更高的耐油、耐高低溫要求。因此,開展提高矽橡膠熱穩定性的研究、製造具有更高使用溫度的矽橡膠具有實際意義。國內外就耐高溫矽橡膠已進行了多方麵的研究[2-3]。如在矽橡膠主鏈引入芳撐或芳醚撐等結構,但此法成本較高,主要應用於特殊領域;在矽橡膠中加入耐熱添加劑,如三氧化二鐵、氧化鈰、六苯基環三矽氮烷等,可以防止聚矽氧烷側鏈氧化交聯和主鏈環化降解[4]。納米氧化鈰作為一種有效的矽橡膠耐熱添加劑,在製備淺色矽橡膠製品中起著重要作用[5]。稀土鈰特殊的電子結構(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,抑製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矽橡膠的耐熱性及綜合性能的影響,以期為製造耐高溫、耐油密封材料提供依據。

1　實驗

1.1　主要原料

耐油矽橡膠混煉膠:SH745U,美國道康寧公司;氧化鈰、過氧化二異丙苯。

1.2　試樣製備

基本配方:耐油矽橡膠100份,過氧化二異丙苯110份,氧化鈰為變量。
室溫下將耐油矽橡膠混煉膠放入開煉機中混煉,包輥後加入氧化鈰、硫化劑過氧化二異丙苯,混煉均勻後把輥距調至2mm左右,打卷十遍後下片;混煉膠在室溫下停放1天後返煉,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;衝擊彈性: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;熱解質量分析儀(TG/DTA):209F1,德國Netzsch公司,工作溫度範圍0～1000℃,動態模式下升溫度速率10℃/min,樣品質量15～20mg。

2　結果與討論

2.1　氧化鈰用量對矽橡膠耐熱性和耐油性的影響

矽橡膠在高溫下主要發生主鏈降解和側鏈甲基的氧化反應。在矽橡膠中加入(過渡、稀土、堿土等)金屬氧化物能提高矽橡膠的耐熱性能。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)在一定的溫度範圍內能夠阻止矽橡膠中由於氧化產生的遊離基反應,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矽橡膠中某些能夠催化降解反應的微量酸或堿性物質,從而對矽橡膠起到熱穩定作用[5]。氧化鈰用量對矽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,矽橡膠經高溫處理後的硬度、拉伸強度和拉斷伸長率變化率都呈現減小的趨勢,說明氧化鈰能提高矽橡膠的耐熱性;在ASTM1#和ASTM3#油中浸泡後的力學性能變化率和體積變化率也呈現下降趨勢,說明氧化鈰能在提高矽橡膠的耐熱性的同時,改善其耐油性。從表1還可以看出,當氧化鈰用量增至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分彆是矽橡膠在氮氣和空氣中的TG及DTG曲線。

由圖1可知,在氮氣環境下,與未加氧化鈰的矽橡膠相比,加入10份氧化鈰的矽橡膠的熱分解溫度的峰值提高13℃;同時在89817℃時的固體殘餘質量分數提高11個百分點。說明在氮氣環境下氧化鈰對矽橡膠具有熱穩定作用[7]。由圖2可知,在空氣中,矽橡膠的熱失重曲線出現兩個峰值,主要是側鏈的氧化斷裂和主鏈的降解。對比兩個熱分析圖可知,矽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℃時的固體殘餘質量分數提高了近3個百分點。說明在空氣中氧化鈰也對矽橡膠具有熱穩定作用。

2.2　氧化鈰用量對矽橡膠力學性能的影響

氧化鈰用量對矽橡膠力學性能的影響見表2。

從表2可以看出,隨著氧化鈰用量的增加,矽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,矽橡膠的力學性能有下降的趨勢。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　結論

加入氧化鈰對矽橡膠力學性能的影響較小,但能提高矽橡膠的耐熱性,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,與未加氧化鈰的矽橡膠相比,加入10份氧化鈰的矽橡膠在氮氣環境下的熱分解溫度的峰值提高13℃,同時在89817℃時的固體殘餘質量分數提高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℃時的固體殘餘質量分數提高近3個百分點。說明氧化鈰對矽橡膠具有熱穩定作用。