摘要
绝热层混炼胶老化性能决定了绝热层使用前的贮存时间,为了掌握绝热层混炼胶贮存时间对绝热层后续使用性能的影响,以控制绝热层混炼胶贮存时间,采用热氧老化试验研究绝热层混炼胶老化不同时间后性能的变化。结果表明,随着老化时间延长,硫化剂(DCP)在高温条件下发生分解、三元乙丙橡胶(EPDM)分子链发生断裂,绝热层力学性能、硫化性能、粘接性能及凝胶分数逐渐降低,其他理化性能无明显变化。由此说明为有效提高绝热层高温贮存有效期,延长使用寿命,应严格关注贮存温度同时远离光照及紫外线照射。
三元乙丙橡胶(EPDM)是乙烯、丙烯和少量非共轭二烯烃的共聚物,具有低不饱和度、非极性的分子结构。EPDM绝热层是以EPDM橡胶为基体,添加耐烧蚀材料并与其他助剂混炼后硫化而成的一种炭化型抗烧蚀材料,具有密度低、延伸率高及抗烧蚀性能好等优点,广泛应用于固体火箭发动
曹艳霞
国内外开展了大量EPDM橡胶体系在热氧老化作用下性能的变化及发生机理研究,但研究主要集中在橡胶体系内硫化体系或防老体系单一因素对老化性能的影响,而对于EPDM绝热层混炼胶中在硫化体系或防老体系共同作用下对混炼胶性能变化的影响研究较少,无法合理预测EPDM绝热层混炼胶贮存环境、贮存时间对绝热层后续使用性能的影响。热氧老化试
为了掌握绝热层混炼胶贮存时间对绝热层后续使用性能的影响,本文开展EPDM绝热层混炼胶贮存老化试验研究,分析热氧老化时间对EPDM绝热层各项性能的影响。
三元乙丙橡胶(EPDM):第三单体为乙叉降冰片烯(ENB),乙烯含量53.0%~59.0%,碘值为每百克ENB中有19~25 g,进口;过氧化二异丙苯(DCP):工业级,纯度≥98 %,国营太仓塑料助剂厂;气相法白炭黑:A380,pH值3.5~5.5,宜昌汇富硅材料股份有限公司,其他促进剂、增塑剂和功能填料若干,均为市售产品。
SK-160B 型双辊筒炼胶机,无锡明达橡塑机械有限公司;INSTRON 4502 型材料试验机,英斯特朗公司;UTM7103Z05型多工位电子万能材料试验机,深圳三思纵横科技股份有限公司;DU288型电热油浴恒温箱,M-3000AU型无转子硫化仪,高铁检测仪器有限公司;MV2-2000电脑型门尼黏度测试仪,蠡园电子化工设备有限公司。
将EPDM、气相法白炭黑、过氧化二异丙苯(DCP)、其他绝热层原材料在SK-160B型双辊筒炼胶机上混炼均匀、薄通6遍后出片,得到试验所用的混炼胶。将上述准备的混炼胶分成7份,将其中的6份放入70 ℃油浴烘箱中,每隔15 d,取出一份,重新在开炼机上薄通6遍后出片,薄通厚度为0.2~0.5 mm,出片厚度为2.0~2.3 mm,根据试样要求将出片后的绝热层混炼胶在平板硫化机上进行硫化制样,硫化温度为160 ℃,硫化时间根据硫化温度下的正硫化时间确定,压强10 MPa。测试混炼胶或硫化后绝热层相关性能(硫化曲线、力学性能、密度、热导率以及界面粘接性能)。
将在70 ℃油浴烘箱中老化不同时间后的绝热层混炼胶取出,放至室温后,在混炼机上薄通6遍后出片,采用平板硫化机制备硫化胶,测试硫化胶的力学性能,测试结果见
贮存时间/d | σc/MPa | ψ/% |
---|---|---|
LH 0 | 7.62 | 685.5 |
LH 15 | 7.78 | 618.4 |
LH 30 | 6.46 | 593.5 |
LH45 | 7.81 | 638.8 |
LH 60 | 6.53 | 637.1 |
LH 75 | 5.62 | 670.2 |
LH 90 | 3.42 | 462.0 |

图1 力学性能随老化时间的变化图
Fig.1 The change chart of mechanical properties with aging time
由
数据表明绝热层混炼胶在70 ℃老化过程中,在老化过程前60 d时混炼胶分子结构未发生明显变化,而从75 d开始,绝热层混炼胶开始发生变化,导致绝热层力学性能显著下降。分析认为出现这一现象的原因:一方面是绝热层在经过高温老化过程中,绝热层混炼胶中部分分子链在热氧老化的作用下逐渐发生断裂,导致绝热层可发生反应进行交联的活性点减少,进而在硫化过程中没有足够的活性位点与硫化剂发生反应;另一方面是绝热层混炼胶中的过氧化物硫化剂在高温作用下极少部分发生了分解,使得可发生反应的裂解自由基数量减少,导致在硫化过程中未能形成一定数量的化学交联网
为研究绝热层生胶贮存时间对绝热层硫化性能的影响,将在70 ℃油浴烘箱中老化不同时间后的绝热层混炼胶取出,放至室温后,在混炼机上薄通6遍后出片,采用无转子硫化仪测试绝热层混炼胶老化前后的硫化曲线,测试条件温度为160 ℃,时间为90 min,测试结果见
贮存时间 /d | MH /N·m | ML /N·m | MH-ML /N·m | T5 /min | T50 /min | T90 /min |
---|---|---|---|---|---|---|
LH 0 | 1.44 | 0.16 | 1.28 | 1.08 | 7.22 | 25.21 |
LH15 | 0.90 | 0.10 | 0.80 | 1.21 | 7.48 | 25.29 |
LH30 | 0.83 | 0.09 | 0.74 | 1.25 | 8.40 | 27.36 |
LH45 | 0.73 | 0.09 | 0.64 | 1.28 | 9.03 | 28.52 |
LH60 | 0.66 | 0.10 | 0.56 | 1.23 | 8.14 | 27.13 |
LH75 | 0.61 | 0.10 | 0.51 | 1.27 | 8.58 | 29.14 |
LH90 | 0.51 | 0.11 | 0.40 | 1.22 | 8.41 | 31.19 |

图2 硫化性能随老化时间的变化图
Fig.2 The change chart of vulcanization properties with aging time
老化15 d后绝热层的最小扭矩ML相比于未老化时迅速降低,但随着老化时间的增加,最小扭矩未发生明显变化,其原因可能是在受热条件下,绝热层中增塑剂等小分子物质加速运动进入到橡胶大分子量中,增大了橡胶大分子链间的距离,减小了分子间作用力,使分子链间更容易产生相对滑移,绝热层混炼胶流动性变好,ML下
随着老化时间的增加,绝热层的扭矩差MH-ML逐渐降低,表明绝热层交联密度降低。
将在70 ℃油浴烘箱中老化不同时间后的绝热层混炼胶取出,放至室温后,在混炼机上薄通6遍后出片,制作绝热层生/绝热层生、绝热层生/铝和绝热层生/绝热层熟界面粘接试件,通过万能材料拉伸仪测试各界面粘接强度,结果见
贮存时间/d | 生/铝 | 生/生 | 生/熟 |
---|---|---|---|
LH 0 | 4.57 | 5.12 | 3.58 |
LH15 | 4.73 | 4.42 | 3.69 |
LH30 | 4.86 | 4.74 | 3.88 |
LH45 | 4.28 | 4.55 | 3.27 |
LH75 | 3.73 | 3.71 | 3.45 |
LH90 | 2.95 | 2.97 | 2.95 |
由
将在70 ℃油浴烘箱中老化不同时间后的绝热层混炼胶取出,放至室温后,在混炼机上薄通6遍后出片,对比了老化不同时间后绝热层其他理化性能,测试结果见
贮存时间/d | ρ/g·c | λ/W·(m·K | α/m | cv/J·(g·K | Tg/℃ | 凝胶分数/% | η |
---|---|---|---|---|---|---|---|
LH 0 | 1.042 | 0.230 | 0.121 | 1.830 | 45.12 | 96.4 | 50.9 |
LH15 | 1.043 | 0.228 | 0.120 | 1.837 | 46.24 | 97.0 | 47.4 |
LH30 | 1.042 | 0.223 | 0.118 | 1.813 | 46.49 | 96.7 | 49.6 |
LH45 | 1.042 | 0.225 | 0.120 | 1.808 | 45.97 | 96.0 | 50.4 |
LH60 | 1.042 | 0.231 | 0.119 | 1.868 | 44.66 | 94.1 | 51.2 |
LH75 | 1.041 | 0.224 | 0.120 | 1.798 | 44.02 | 90.6 | 52.9 |
LH90 | 1.042 | 0.230 | 0.124 | 1.796 | 45.44 | 86.9 | 56.1 |
随着老化时间增加,从第75 d开始绝热层的凝胶分
随着老化时间增加,门尼黏度在前60 d时无明显变化,从第75 d开始逐渐上升,当老化至90 d时绝热层混炼胶的门尼黏度较初始值上升10.2%。门尼黏度反应的是橡胶加工性能的好坏和分子量高低及分布范围宽窄。门尼黏度增大表明随着老化时间增加,绝热层黏度增大,可塑性越低,混炼胶不易混炼均匀及挤出加工。
将在70 ℃油浴烘箱中老化不同时间后的绝热层混炼胶取出,放至室温后,在混炼机上薄通6遍后出片进行硫化,硫化温度为160 ℃硫化时间90 min,将硫化好的绝热层胶片裁剪成适宜大小后,放入80 ℃烘箱中,每隔一段时间进行称重,测试所得的绝热层热失重率结果如

图3 绝热层热失重率
Fig.3 Heat-weight loss rate of the EPDM insulation
可挥发逸出物是挥发的气体分子受分子热运动和绝热层表面气体浓度差影响由绝热层内部扩散到绝热层表面再扩散到外界的过
过氧化物硫化EPDM绝热层采用过氧化物交联时,主要交联过程如

图4 EPDM过氧化物硫化机理
Fig.4 The mechanism of peroxide vulcanization of the EPDM insulation
EPDM在热氧老化过程中,主要反应历程如

图5 EPDM热氧老化机理
Fig.5 The mechanism of EPDM insulation thermal oxygen aging
从

(a) 红外图谱对比

(b) (a)中红色方框部分放大
图6 EPDM绝热层红外图谱
Fig.6 The IR spectrum of EPDM insulation
为有效判定随老化时间延长,绝热层力学、硫化、界面粘接性能及凝胶分数逐渐降低的原因,测定未进行老化三元乙丙绝热层及老化90 d并继续常温贮存1 a后绝热层中DCP含量。老化90 d并继续常温贮存1 a后绝热层中DCP含量较未进行老化三元乙丙绝热层降低1.16%,表明在高温热氧老化及常温贮存过程中部分DCP发生了分解,使得绝热层在高温硫化过程可发生反应的裂解自由基数量减少。
项目 | DCP/% |
---|---|
LH0 d | 2.14 |
LH90 d+常温贮存1 a | 0.98 |
将LH75和LH90 d样品继续常温贮存1 a再加入3.5 phr的DCP,并测试其力学性能和硫化性能,结果见
项目 | σ/MPa | ψ/% |
---|---|---|
LH 75d | 5.62 | 670.2 |
LH75 d+3.5phr DCP(常温贮存1 a) | 6.55 | 297.6 |
LH90d | 3.42 | 462.0 |
LH90 d+3.5phr DCP(常温贮存1 a) | 7.20 | 357.1 |
项目 | MH /N·m | ML /N·m | MH-ML /N·m |
---|---|---|---|
LH 75 d | 0.61 | 0.10 | 0.51 |
LH 75 d+3.5 phr DCP(常温贮存1 a) | 1.54 | 0.09 | 1.45 |
LH90 d | 0.51 | 0.11 | 0.40 |
LH 90 d+3.5 phr DCP(常温贮存1 a) | 1.43 | 0.11 | 1.32 |
试验数据表明70 ℃条件下老化75 d后,绝热层性能开始下降,因此为有效提高绝热层高温贮存有效期,延长使用寿命,应严格关注贮存温度同时远离光照及紫外线照射,在高温贮存一段时间后,对绝热层性能检测合格后方可重新使用。
(1)在70 ℃高温热氧老化条件下随着老化时间延长,绝热层力学性能、硫化性能、粘接性能及凝胶分数逐渐降低。
(2)在70 ℃高温热氧老化条件下老化后的绝热层中添加DCP后,绝热层力学性能仍下降,但交联密度上升。
(3)过氧化物硫化剂DCP在高温条件下发生分解以及EPDM分子链在环境热的作用下发生断裂的双重作用导致绝热层在高温老化后各项性能下降。
(4)为有效提高绝热层高温贮存有效期,延长使用寿命,应严格关注贮存温度同时远离光照及紫外线照射,在高温贮存一段时间后,对绝热层性能检测合格后方可重新使用。
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