CN108178851A - 一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料及其制备方法 - Google Patents

一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料及其制备方法。以重量份数计算，该绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料包括以下组分：丁腈橡胶95～115份，塑炼油10～25份，补强填料10～20份，硬脂酸1～5份，氧化锌2～10份，硫磺1～5份，DM促进剂1～5份，耐烧蚀填料10～50份，低导热填料10～20份，防老剂1～5份。上述材料经过预处理、开炼、陈放、硫化等工艺处理，制备得到的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料不仅具有密度低、拉伸强度高、扯断伸长率高等特点，而且耐烧蚀、热导率低，硬度适中，非常适合导弹和飞行器发动机部位的绝热防护。

Description

一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及绝热耐烧蚀材料技术领域，更具体地，涉及一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料及其制备方法。
背景技术
伴随世界各国对空间技术和国家安全的重视，航天和国防工业的发展显得尤为重要。固体火箭和导弹都需要发动机作为动力工具，而发动机燃烧室内的药柱燃烧会产生3000℃的高温和超过107Pa的高压。内绝热材料位于发动机燃烧室和推进剂药柱之间，为保证发动机正常工作，内绝热材料必须可耐高温烧蚀，具备良好的力学性能。另一方面，当前火箭、飞行器正朝着轻质化方向发展，需要尽量降低内绝热材料的密度。
如今，被广泛使用的是两大类弹性体内绝热材料：丁腈橡胶基和三元乙丙基。丁腈橡胶常用于制作各类耐油模压制品，如O形圈、油封、皮碗、膜片、活门、波纹管、胶管、密封件、发泡等，也用于制作胶板和耐磨零件。由于航天和国防工业的特殊性，科研生产对丁腈橡胶材料提出了更高的要求，不仅需要其耐高温，耐烧蚀，具备较高的强度，而且需要其具备较低的硬度和密度。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于航天和国防工业，适合导弹和飞行器发动机部位绝热防护的丁腈橡胶材料。
为达到上述目的，本发明提供了一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，该绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料包含下述重量份数的组分：丁腈橡胶95～115份，塑炼油10～25份，补强填料10～20份，硬脂酸1～5份，氧化锌2～10份，硫磺1～5份，DM促进剂1～5份，耐烧蚀填料10～50份，低导热填料10～25份，防老剂1～5份。
优选的，本发明所述耐烧蚀填料可以为碳化硅纤维、莫来石纤维、石棉纤维、硅灰石纤维和高硅氧纤维中的一种或多种。
优选的，本发明所述低导热填料可以为二氧化硅气凝胶、硅酸铝纤维、玻璃纤维和微孔硅酸钙中的一种或多种。
本发明所述耐烧蚀填料和低导热填料的组合方式可以为莫来石纤维和二氧化硅气凝胶、石棉纤维和硅酸铝纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维或高硅氧纤维和微孔硅酸钙。
本发明所述耐烧蚀填料的纤维直径可以为5～20μm，长径比可以为5：1～15：1，例如，直径为13～17μm，长径比为4:1。
本发明所述补强填料为白炭黑、硼酸铝晶须、硫酸钙晶须和氧化铝纤维中的一种或多种。
优选地，本发明所述补强填料为白炭黑，例如燃烧法白炭黑、气相法白炭黑和沉淀法白炭黑中的一种或多种，且平均粒径＜100nm。
优选地，本发明所述硬脂酸纯度≥99.9％，所述硫磺纯度≥99.5％，所述氧化锌纯度≥99.5％。
本发明还提供了一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)原料预处理：将补强填料、氧化锌、耐烧蚀填料和低导热填料置于105～120℃烘箱内烘烤超过24h，再置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：向开炼机中加入丁腈橡胶、塑炼油，混合均匀后，再依次加入补强填料、耐烧蚀填料、低导热填料、硬脂酸、氧化锌、防老剂、硫磺和DM促进剂，其中，每加入一种原料，混炼至薄通均匀后压制成片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制成片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放3～5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通5～10次，然后压制成片，置于模具内，在0.5～5Mpa压力、120～180℃温度下保温硫化20～50min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
本发明所述压制出片可以是压制出2～3mm厚胶片。
本发明中步骤(2)所述薄通可以是薄通3～5次，薄通厚度可以为1～2mm。
本发明以丁腈橡胶为基底材料，通过填充耐烧蚀填料来提高材料的耐高温和耐烧蚀性能，填充低密度的低导热填料来降低材料的导热系数和密度，填充补强填料来提高材料的拉伸强度和断裂伸长率，另外配以防老剂来提高材料的耐老化性能和可靠性，通过材料预处理、开炼、陈放、硫化等工艺后，得到的橡胶材料不仅力学性能良好，而且具有优异的耐高温和耐烧蚀性能，即密度低(≤1.2g/cm3)、拉伸强度高(≥10Mpa)、扯断伸长率高(≥700％)、耐烧蚀(氧乙炔线烧蚀率≤0.07mm/s)、热导率低(≤0.20W/m*k)，硬度适中(约为68)，非常适合导弹和飞行器发动机部位的绝热防护。
附图说明
图1是本发明实施例1-实施例4所制绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料氧乙炔烧蚀后的照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料的制备，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将气相法白炭黑、氧化锌、莫来石纤维和二氧化硅气凝胶置于110℃烘箱内烘烤48h待用，其他原料未做特殊说明均不做处理，置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：按照质量份取110份丁腈橡胶、15份塑炼油于开炼机中混合均匀，再依加入气相法白炭黑15份、莫来石纤维40份、二氧化硅气凝胶15份、硬脂酸2份、氧化锌5份、防老剂1份、硫磺2份和DM促进剂2份，混炼至薄通均匀后出片，每加入一种原料后薄通5次，薄通厚度为1mm，然后压制出2mm厚胶片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制出2mm厚胶片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通10次，然后压制成2mm后的胶片，置于模具内在1.5Mpa压力、150℃温度下保温硫化30min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
实施例2
一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料的制备，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将气相法白炭黑、氧化锌、石棉纤维和硅酸铝纤维置于110℃烘箱内烘烤48h待用；其他原料未做特殊说明均不做处理，置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：按照质量份取105份丁腈橡胶、15份塑炼油于开炼机中混合均匀，再依加入气相法白炭黑15份、石棉纤维35份、硅酸铝纤维18份、硬脂酸2份、氧化锌5份、防老剂1份、硫磺3份和DM促进剂2份，混炼至薄通均匀后出片，每加入一种原料后需薄通5次，薄通厚度为1mm，然后压制出2mm厚胶片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制出2mm厚胶片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通10次，然后压制成2mm后的胶片，置于模具内在1.5Mpa压力、150℃温度下保温硫化30min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
实施例3：
一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料的制备，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将气相法白炭黑、氧化锌、碳化硅纤维和玻璃纤维置于110℃烘箱内烘烤48h待用；其他原料未做特殊说明均不做处理，置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：按照质量份取115份丁腈橡胶、12份塑炼油于开炼机中混合均匀，再依加入气相法白炭黑15份、碳化硅纤维38份、玻璃纤维22份、硬脂酸2份、氧化锌4份、防老剂1份、硫磺3份和DM促进剂2份，混炼至薄通均匀后出片，每加入一种原料后需薄通5次，薄通厚度为1mm，然后压制出2mm厚胶片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制出2mm厚胶片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通10次，然后压制成2mm后的胶片，置于模具内在1.5Mpa压力、150℃温度下保温硫化30min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
实施例4：
一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料的制备，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将气相法白炭黑、氧化锌、高硅氧纤维和微孔硅酸钙置于110℃烘箱内烘烤48h待用；其他原料未做特殊说明均不做处理，置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：按照质量份取100份丁腈橡胶、15份塑炼油于开炼机中混合均匀，再依加入气相法白炭黑15份、高硅氧纤维38份、微孔硅酸钙20份、硬脂酸2份、氧化锌5份、防老剂1份、硫磺3份和DM促进剂2份，混炼至薄通均匀后出片，每加入一种原料后需薄通5次，薄通厚度为1mm，然后压制出2mm厚胶片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制出2mm厚胶片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通10次，然后压制成2mm后的胶片，置于模具内在1.5Mpa压力、150℃温度下保温硫化30min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
实施例5：
一种三元乙丙橡胶材料的制备，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将气相法白炭黑、氧化锌、高硅氧纤维和微孔硅酸钙置于110℃烘箱内烘烤48h待用；其他原料未做特殊说明均不做处理，置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：按照质量份取100份三元乙丙橡胶、15份塑炼油于开炼机中混合均匀，再依加入气相法白炭黑15份、高硅氧纤维38份、微孔硅酸钙20份、硬脂酸2份、氧化锌5份、防老剂1份、硫磺3份和DM促进剂2份，混炼至薄通均匀后出片，每加入一种原料后需薄通5次，薄通厚度为1mm，然后压制出2mm厚胶片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制出2mm厚胶片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通10次，然后压制成2mm后的胶片，置于模具内在1.5Mpa压力、150℃温度下保温硫化30min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
实施例6：
一种丁腈橡胶材料的制备，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将气相法白炭黑、氧化锌、有机硅改性酚醛树脂和硅酸铝纤维置于110℃烘箱内烘烤48h待用；其他原料未做特殊说明均不做处理，置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：按照质量份取110份丁腈橡胶、15份塑炼油于开炼机中混合均匀，再依加入气相法白炭黑15份、有机硅改性酚醛树脂30份、硅酸铝纤维18份、硬脂酸2份、氧化锌5份、防老剂1份、硫磺3份和DM促进剂2份，混炼至薄通均匀后出片，每加入一种原料后需薄通5次，薄通厚度为1mm，然后压制出2mm厚胶片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制出2mm厚胶片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通10次，然后压制成2mm后的胶片，置于模具内在1.5Mpa压力、150℃温度下保温硫化30min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
实施例7：
一种丁腈橡胶材料的制备，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将气相法白炭黑、氧化锌、芳纶纤维和玻璃纤维置于110℃烘箱内烘烤48h待用；其他原料未做特殊说明均不做处理，置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：按照质量份取110份丁腈橡胶、12份塑炼油于开炼机中混合均匀，再依加入气相法白炭黑15份、芳纶纤维30份、玻璃纤维22份、硬脂酸2份、氧化锌4份、防老剂1份、硫磺3份和DM促进剂2份，混炼至薄通均匀后出片，每加入一种原料后需薄通5次，薄通厚度为1mm，然后压制出2mm厚胶片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制出2mm厚胶片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通10次，然后压制成2mm后的胶片，置于模具内在1.5Mpa压力、150℃温度下保温硫化30min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
实施例8：
一种丁腈橡胶材料的制备，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将气相法白炭黑、氧化锌、莫来石纤维和二氧化硅气凝胶置于110℃烘箱内烘烤48h待用；其他原料未做特殊说明均不做处理，置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：按照质量份取110份丁腈橡胶、15份塑炼油于开炼机中混合均匀，再依加入气相法白炭黑15份、莫来石纤维40份、二氧化硅气凝胶15份、硬脂酸2份、氧化锌5份、防老剂1份、硫磺2份和M促进剂2份，混炼至薄通均匀后出片，每加入一种原料后薄通5次，薄通厚度为1mm，然后压制出2mm厚胶片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制出2mm厚胶片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片再次薄通10次，然后压制成2mm后的胶片，置于模具内在1.5Mpa压力、150℃温度下保温硫化30min后，冷却至室温脱模，即得到本发明的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
效果实施例：
测试上述制得橡胶材料的密度、拉伸强度、扯断伸长率、氧乙炔线烧蚀率和质量烧蚀率、热导率以及硬度，测试结果见下表1。
表1上述实施例制得橡胶材料的密度、力学性能和耐烧蚀性能参数
从表1中实施例1至实施例4可看出本发明绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料均具有密度低(≤1.2g/cm3)、拉伸强度高(≥10Mpa)、扯断伸长率高(≥700％)、耐烧蚀(氧乙炔线烧蚀率≤0.07mm/s)、热导率低(≤0.20W/m*k)，硬度适中(约68)等特点，非常适合导弹和飞行器发动机部位的绝热防护。而改变本发明的配方，尤其是改变橡胶种类，耐烧蚀填料和低导热填料以及促进剂，都会影响制得橡胶材料的性能。
本领域的技术人员容易理解，以上实施例只是为了更好的说明本发明的技术方案，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，其特征在于，包含下述重量份数的组分：丁腈橡胶95～115份，塑炼油10～25份，补强填料10～20份，硬脂酸1～5份，氧化锌2～10份，硫磺1～5份，DM促进剂1～5份，耐烧蚀填料10～50份，低导热填料10～25份，防老剂1～5份。
2.根据权利要求1所述的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，其特征在于，所述耐烧蚀填料为碳化硅纤维、莫来石纤维、石棉纤维、硅灰石纤维和高硅氧纤维中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，其特征在于，所述低导热填料为二氧化硅气凝胶、硅酸铝纤维、玻璃纤维和微孔硅酸钙中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，其特征在于，所述耐烧蚀填料和低导热填料的组合方式为莫来石纤维和二氧化硅气凝胶、石棉纤维和硅酸铝纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维或高硅氧纤维和微孔硅酸钙。
5.根据权利要求1-4任一项所述的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，其特征在于，所述耐烧蚀填料的纤维直径为5～20μm，长径比为5：1～15：1，优选地，所述耐烧蚀填料的纤维直径为13～17μm，长径比为4:1。
6.根据权利要求1-5任一项所述的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，其特征在于，所述补强填料为白炭黑、硼酸铝晶须、硫酸钙晶须和氧化铝纤维中的一种或多种。
7.根据权利要求1-6任一项所述的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，其特征在于，所述补强填料为白炭黑，优选地，所述补强填料为燃烧法白炭黑、气相法白炭黑和沉淀法白炭黑中的一种或多种，且平均粒径＜100nm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料，其特征在于，所述硬脂酸纯度≥99.9％，所述硫磺纯度≥99.5％，所述氧化锌纯度≥99.5％。
9.根据权利要求1-8任一项所述绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)原料预处理：将补强填料、氧化锌、耐烧蚀填料和低导热填料置于105～120℃烘箱内烘烤超过24h，再置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中保存待用；
(2)开炼：向开炼机中加入丁腈橡胶、塑炼油，混合均匀后，再依次加入补强填料、耐烧蚀填料、低导热填料、硬脂酸、氧化锌、防老剂、硫磺和DM促进剂，其中，每加入一种原料，混炼至薄通均匀后压制成片，再加入下一种原料，重复上述操作至混炼均匀，最后压制成片；
(3)陈放：将开炼得到的胶片置于温度≤35℃，湿度≤65％环境中存放3～5天；
(4)硫化：将陈放后的胶片薄通5～10次，然后压制成片，置于模具内，在0.5～5Mpa压力、120～180℃温度下保温硫化20～50min后，冷却至室温脱模，即得绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料。
10.根据权利要求9所述绝热耐烧蚀丁腈橡胶材料的制备方法，其特征在于，所述压制出片是压制出2～3mm厚胶片，优选地，步骤(2)中所述薄通是薄通3～5次，薄通厚度为1～2mm。
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