配方因素对三元乙丙橡胶密封圈硫化胶性能的影响

18
300 200 100 0 3.0
16
15
14 0.2
0.4
0.6
0.8
Χᤈҍ/4ၸ᧙͊
600
300 200
14. 6
17. 86
315. 32
75. 1
14. 0
18. 65
228. 50
74. 0
16. 1
15. 75
531. 50
79. 1
12. 3
15. 98
359. 75
75. 4
12. 4
16. 88
369. 95
72. 2
16. 1
17. 80
286. 75
75. 1
14. 3
18. 54
211. 40
关键词：密封圈；三元乙丙橡胶；硫化胶；拉伸性能；老化性能；配方设计；正交试验 中图分类号：TQ333. 4；TQ336. 4＋2 文献标志码：A 文章编号：1000-890X（2016） - -06
橡胶密封圈是污水泵的重要零件，然而在实际 使用中往往达不到污水泵的检修期就需要提前单 独更换，这无疑增加了污水泵维护及保养工作量。 因此，研发一种适合污水泵较长期使用的橡胶密封 材 料 是 非 常 有 必 要 的。 三 元 乙 丙 橡 胶（EPDM）主 链由化学稳定的饱和烃组成，侧链中含有不饱和双 键，故其具有耐臭氧、耐酸碱腐蚀、耐老化、使用寿 命长等优点，被广泛应用于密封件[1]。本工作针对 污 水 泵（生 活 用）工 作 环 境，采 用 正 交 试 验 法 设 计 试 验 配 方，考 察 配 方 中 硫 黄、防 老 剂、促 进 剂 以 及 增塑剂用量对EPDM密封圈硫化胶物理性能和耐 老 化 性 能 的 影 响，旨 在 为 今 后 设 计 污 水 泵 橡 胶 密 封圈胶料配方提供参考。
进剂NS用量、防老剂4010NA用量、增塑剂A用量。
20
600
ડͨुऎMPa
18
500
400 16
300 14
200
12
10 0.5
1.0
1.5
2.0
ᆴ᳦ၸ᧙͊
100
0 2.5
18
600
500 17
400
ડறͨ᫁ည ડͨुऎMPa
表4 硫化胶拉断伸长率的极差分析
因子
项目 硫黄用量
K1 K2 K3 K4 K5 R 最优水平
75. 6
15. 4
表性能指标随因子水平变动而产生的变动幅度；
表中K x（x为1，2，3，4，5）为各因子x水平的性能结 果平均值[4]。
从 表 3 可 以 看 出，本 试 验 硫 化 胶 拉 伸 强
度 最 优 的 因 子 组 合 配 方 为：硫 黄 2. 5，防 老
剂 4010NA 1，促 进 剂 TMTD 1. 5，促 进 剂
545. 052 349. 250 339. 674 289. 834 215. 860 329. 192
1
防老剂 4010NA
用量 322. 340 360. 714 346. 752 357. 994 351. 870 38. 374
2
促进剂 TMTD 用量
促 进 剂 增塑剂A NS用量 用量
340. 620 351. 120 333. 384
用量
用量
用量
用量
用量
1 0. 5
0
0. 5
0. 2
0
21
1
1
0. 4
2
3 1. 5
2
1. 5
0. 6
4
42
3
2
0. 8
6
5 2. 5
4
2. 5
1
8
在 密 炼 机 中 依 次 加 入EPDM（0. 5 min）、增
塑 剂 A、氧 化 锌、硬 脂 酸、防 老 剂 4010NA、1/2 炭 黑
N115（2. 5 min）、1/2炭 黑N115（1 min）进 行 一 段 混炼，转子转速为70 r·min-1，填充因数为0. 7。
70. 6
15. 8
15. 71
590. 45
78. 2
12. 9
16. 92
370. 25
76. 6
12. 6
17. 05
330. 22
73. 8
14. 5
17. 40
302. 15
71. 8
14. 8
18. 03
210. 50
70. 1
16. 7
15. 91
509. 11
82. 4
11. 2
16. 13
368. 964 355. 170 339. 292
343. 272 348. 780 346. 544
346. 764 341. 450 353. 720
340. 050 343. 150 366. 730
28. 914 13. 720 33. 346
2
2
5
注：影响由大到小的顺序为硫黄用量、防老剂4010NA用量、增
因子
项目 硫黄用量
K1 K2 K3 K4 K5 R 最优水平
14. 946 16. 180 17. 148 17. 694 18. 218 3. 272
5
防老剂 4010NA
用量 16. 306 17. 022 16. 958 16. 928 16. 972 0. 716
2
促进剂 TMTD 用量 16. 484 16. 918 17. 374 16. 726 16. 684 0. 890
作者简介：曾宪奎（1967—），男，山东青州人，青岛科技大学教 授，主要从事橡塑加工技术与装备的教学及科研工作。
机 械 厂 产 品；M-2000-AN 型 无 转 子 硫 化 仪 和 GT7017-NM 型 热 空 气 加 速 老 化 试 验 箱，中 国 台 湾 高 铁检测仪器有限公司产品；UT-2080型电子拉力试 验机，中国台湾优肯科技股份有限公司产品。 1. 3 试验方案及炼胶工艺
160 ℃/10 MPa×t 90。 1. 4 测试方法
拉伸强度、拉断伸长率按照GB/T 528—2009 《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的 测 定》进 行 测 试，哑 铃 形 Ⅱ 型 试 样，拉 伸 速 率 为 500 mm·min-1，测试温度为23 ℃。压缩永久变形 按 照GB/T 7759. 1—2015《硫 化 橡 胶 或 热 塑 性 橡 胶 压缩永久变形的测定 第1部分：在常温及高温 条件下》进行测试，采用A型试样，压缩率25%。
NS 0. 8，增塑剂A 2。要提高硫化胶的拉伸强
度，可适当增大硫黄用量。
2. 2. 2 拉断伸长率
配方因素对硫化胶拉断伸长率的影响如图1
所 示。 从 图 1 可 以 看 出，随 着 硫 黄 用 量 增 大，硫 化
胶拉断伸长率逐渐减小，这是因为硫黄用量增大，
交 联 键 以 多 硫 键 结 构 为 主，而 多 硫 键 键 能 低 且 不 稳定[5]，在受力作用时极易发生断裂，导致硫化胶
为 得 到 各 因 子 与 性 能 指 标 的 关 系，确 定 配 方 因 素 对 硫 化 胶 性 能 影 响 的 主 次 顺 序，采 用 极 差 分 析 法 进 行 直 观 的 分 析 判 断，硫 化 胶 拉 伸 强 度 的 极 差分析如表3所示。表3中R 为各因子的极差，R 代
试验编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
塑剂A用量、促进剂TMTD用量、促进剂NS用量。
18
600
ડறͨ᫁ည
500 17
400
16
300
200 15
100
14
0
0
1
2
3
4
᫸Ꮴҍ4010NAၸ᧙͊
18
600
500 17
400
ડறͨ᫁ည
ડறͨ᫁ည ડͨुऎMPa
ડͨुऎMPa
16
15
14 0.5
1.5
2.0
2.5
ΧᤈҍTMTDၸ᧙͊
的拉断伸长率减小。防老剂4010NA用量、促进剂
用量、增塑剂A用量对拉断伸长率影响不大。硫化
胶拉断伸长率的极差分析如表4所示。
从表4可以看出，本试验硫化胶拉断伸长率最
优的因子组合为：硫黄 0. 5，防老剂4010NA 1，
第期
曾宪奎等．配方因素对三元乙丙橡胶密封圈硫化胶性能的影响
3
表3 硫化胶拉伸强度的极差分析
353. 65
74. 8
13. 3
16. 58
344. 20
73. 4
15. 1
17. 79
299. 25
73. 3
15. 1
18. 38
227. 55
73. 4
15. 5
14. 38
592. 85
78. 2
12. 6
16. 11
321. 05
74. 7
13. 4
ห้องสมุดไป่ตู้
17. 64
332. 25
74. 5
2 结果与讨论 2. 1 试验结果
拉伸强度和拉断伸长率是评定密封圈硫化胶 物 理 性 能 的 指 标，拉 断 伸 长 率 保 持 率 和 压 缩 永 久 变形是评定密封圈硫化胶耐老化性能的指标。本 工 作 采 用 正 交 试 验 法 设 计 了 25 组 试 验 配 方，测 定 了各组试验配方硫化胶的拉伸强度、拉断伸长率， 以及经过100 ℃×7 d污水介质环境加速老化试验 后的拉断伸长率保持率和压缩永久变形[3]，结果如 表2所示。 2. 2 配方因素对硫化胶物理性能的影响 2. 2. 1 拉伸强度
采 用 正 交 试 验 法[2]，选 取 硫 黄 用 量、防 老 剂 4010NA用量、促进剂TMTD用量、促进剂NS用量、 增塑剂A用量（单位均为质量份）作为试验因子，每 个因子选择5个水平，设计五水平六因子的L25（56） 正交试验。正交试验的因子和水平如表1所示。
表1 因子和水平
因子
水平 硫黄 防老剂4010NA 促进剂TMTD 促进剂NS 增塑剂A
用开炼机对密炼机排出的高温胶料进行快速冷
却，待 胶 料 温 度 降 到 室 温、辊 筒 温 度 在（50±5）
℃ 时，将 硫 黄 和 促 进 剂 均 匀 连 续 加 入。 混 炼 胶 停
放24 h后，采用无转子硫化仪测定胶料的硫化时
间；采用平板硫化机对胶料进行硫化，硫化条件为
2
橡 胶 工 业
2015年第63卷
配方因素对硫化胶拉伸强度的影响如图1所 示。 从 图1可 以 看 出，硫 化 胶 拉 伸 强 度 随 着 硫 黄 用 量 的 增 大 而 增 大，这 是 因 为 硫 化 体 系 中 硫 黄 用 量增大，硫化胶的交联程度增大。防老剂4010NA 用量对硫化胶拉伸强度的影响不大。随着促进剂 TMTD和NS用量增大，硫化胶的拉伸强度先增大后 略有减小，这是因为促进剂用量增大提高了硫化胶 的交联密度，因而拉伸强度增大；促进剂用量过大 时，硫化胶的交联密度过高，造成橡胶网络应力集 中，拉伸强度减小。增塑剂A用量为2份时，硫化胶 的拉伸强度最大。增塑剂A用量较小时，有利于配 合 剂 的 分 散，提 高 硫 化 胶 的 整 体 性 能；增 塑 剂 A 用 量过大时，削弱了橡胶分子链间作用力，破坏了橡 胶大分子链交联结构，硫化胶的拉伸强度减小。
第期
曾宪奎等．配方因素对三元乙丙橡胶密封圈硫化胶性能的影响
1
配方因素对三元乙丙橡胶密封圈硫化胶性能的影响
曾宪奎，韩广文，孙延奎
（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）
摘 要：采 用正交 试 验法研究 硫 黄、防老 剂4010NA、促 进 剂TMTD、促 进 剂NS以 及 增 塑 剂A的 用 量 对 三 元 乙 丙 橡 胶 （EPDM）密封圈硫化胶拉伸强度、拉断伸长率、拉断伸长率保持率和压缩永久变形的影响。结果表明，硫黄用量对EPDM 密封圈硫化胶各项性能的影响最为显著；当硫黄、防老剂4010NA、促进剂TMTD、促进剂NS和增塑剂A用量分别为0. 5， 2，1. 5，1和2份时，硫化胶的耐压缩永久变形性能最好。
3
促进剂NS 增塑剂A
用量
用量
16. 408 16. 510 17. 130 17. 262 16. 876 0. 854
4
16. 464 17. 072 17. 032 16. 908 16. 710 0. 608
2
注 ：影 响 由 大 到 小 的 顺 序 为 硫 黄 用 量 、促 进 剂 T M T D 用 量 、促
表2 硫化胶性能
拉伸强度/ 拉断伸长率/ 拉断伸长率 压缩永久
MPa
%
保持率/% 变形/%
12. 98
501. 35
73. 9
13. 3
15. 76
341. 55
75. 1
13. 3
17. 59
321. 75
73. 5
14. 7
17. 62
245. 70
72. 1
15. 6
17. 58
201. 35
1 实验 1. 1 配方
根 据 污 水 泵 密 封 圈 的 实 际 工 作 环 境，设 计 的 胶料试验配方如下：EPDM 100，炭黑N115 45， 氧化锌 5，硬脂酸 1，防老剂4010NA、硫黄、促 进剂TMTD、促进剂NS、增塑剂A 变量。 1. 2 主要设备和仪器
XK-160E型 开 炼 机 智 能 炼 胶 实 验 平 台，自 制；X（S）M-1. 7 L型密炼机，青岛科技大学产品； QLB-400×400×2 型 平 板 硫 化 机，上 海 第 一 橡 胶