CN109265842A - 一种丁基橡胶密封圈及其制备方法和应用 - Google Patents

一种丁基橡胶密封圈及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种丁基橡胶密封圈，以质量份计，包括以下原料制得：丁基橡胶IIR301 100份、氧化锌0.5～5份、二硫化四甲基秋兰姆1～8份、二硫化苯并噻唑0.5～4份、2,2,4‑三甲基‑1,2‑二氢化喹啉1～5份、石蜡0.5～4份、快压出炉黑20～50份、四硫化双硅烷0.1～2份、硬脂酸1～7份、链烷烃操作油5～30份和硫磺1～4份。本发明的丁基橡胶密封圈力学性能优异、韧性好且耐老化，适用于四氧化二氮介质中，最长失效时间达到20天，邵氏硬度为55～60A，拉伸强度约为17MPa，撕裂强度约为41kN/m，弹性为12％左右，可提高推进剂贮运作业的可靠性和安全性。

Description

一种丁基橡胶密封圈及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及橡胶材料领域，更具体地，涉及一种丁基橡胶密封圈及其制备方法和应用。
背景技术
四氧化二氮是常规火箭主体液体推进剂，是一种强氧化性、强腐蚀性的化学品。密封圈是推进剂作业中使用的一种密封材料，包括O型圈等，用于软管、法兰、接头等连接部位，在液体推进剂贮存、转注、加注环节以及推进剂贮箱密封中具有不可替代的作用。密封圈的性能决定了推进剂作业的安全性和可靠性，以及推进剂在火箭贮箱中的贮存时间。
与四氧化二氮相容性良好的橡胶材料目前仅有全氟聚醚和羧基亚硝基，但其价格极其高昂，除用于火箭贮箱等关键部位外，在常规场合难以实际应用。
丁基橡胶(IIR)是异丁烯和异戊二烯在催化剂作用下进行阳离子聚合反应生成的一种合成橡胶品种，具有良好的耐化学品性、耐热性、耐臭氧、耐老化性和突出的气密性和水密性，在化工领域使用广泛，价格适中。目前，用于四氧化二氮贮存运输领域的密封圈采用丁基橡胶IIR 1403制备，但因原材料性能、冶炼工艺等原因导致其相容性不佳，失效时间为7～8小时，在与四氧化二氮气体接触数天后即离解成胶泥。也有采用氟橡胶制备密封圈，其耐腐蚀能力有大的提升，但是在-20℃以下的环境温度中使用时，其弹性大幅下降，容易出现变形不回弹、压裂等问题，导致推进剂泄漏。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种丁基橡胶密封圈及其制备方法和应用，本发明的丁基橡胶密封圈力学性能优异、韧性好且耐老化，尤其适用于四氧化二氮介质的耐腐蚀应用中。
本发明提供的一种丁基橡胶密封圈，以质量份计，包括以下原料制得：丁基橡胶IIR301 100份、氧化锌0.5～5份、二硫化四甲基秋兰姆1～8份、二硫化苯并噻唑0.5～4份、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉1～5份、石蜡0.5～4份、快压出炉黑20～50份、四硫化双硅烷0.1～2份、硬脂酸1～7份、链烷烃操作油5～30份和硫磺1～4份。
上述技术方案中，通过大量的实验，对比了IIR1751、IIR1751F、IIR0745，以及Exxon的268、Lanxess的301、俄罗斯的BK1675N等丁基橡胶产品，发现了使用丁基橡胶IIR301与其它配合剂配伍使用，并将配比控制在上述范围内，能得到力学性能优异、韧性好且耐老化的丁基橡胶密封圈，适合应用于四氧化二氮这种强氧化强腐蚀的介质中，可提高推进剂贮运作业的可靠性和安全性。
优选地，所述丁基橡胶密封圈，以质量份计，包括以下原料制得：丁基橡胶IIR301100份、氧化锌1.0～2.5份、二硫化四甲基秋兰姆2.0～4.0份、二硫化苯并噻唑1.0～2.0份、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉1.5～2.5份、石蜡1.7～2.5份、快压出炉黑27～40份、四硫化双硅烷0.6～1.1份、硬脂酸1～3份、链烷烃操作油10～25份和硫磺1.5份。
上述技术方案中，各原料配比在上述范围内，得到的丁基橡胶圈力学性能及耐腐蚀性能更好。
优选地，所述链烷烃操作油的分子量为400～500。此操作油与丁基橡胶的相容性较好，可提高橡胶材料的回弹性和拉伸强度。
本发明还提供上述丁基橡胶密封圈的制备方法，包括：先将各原料进行混炼得到混炼胶，再将所述混炼胶放入丁基橡胶密封圈的模具中进行硫化。该制备方法工艺简单，成本低廉，适合大规模生产。
优选地，所述混炼温度为160～190℃。
优选地，所述混炼时间为1.5～2.5h，更优选为2h。
优选地，所述混炼出料后冷却4～5h，使其充分反应，释放应力。
优选地，所述硫化温度为165～190℃，更优选为165～175℃，可缩短硫化时间，提高生产效率，又不会因温度过高而导致硫化性能下降。
优选地，所述硫化压力为0.5～0.8MPa。在保证胶料流动性的情况下，可消除胶料内气泡，提高材料的致密性，当产品结构和形状复杂或厚度较大时，可根据材料质量适当增大硫化压力。
优选地，所述硫化时间为23～26min。硫化时间过长会导致过硫化，过短会导致欠硫化，本方法中，结合硫化温度和压力最终确定硫化时间在23～26min时，硫化效果最好。
本发明还提供上述丁基橡胶密封圈在四氧化二氮介质中的应用，具有良好的耐腐蚀性和良好的力学性能。
本发明的丁基橡胶密封圈通过将丁基橡胶IIR301与其它配合剂配伍，并将配比控制在一定范围内，得到力学性能优异、韧性好且耐老化的丁基橡胶密封圈，适合应用于四氧化二氮这种强氧化强腐蚀的介质中，最长失效时间达到20天，邵氏硬度为55～60A，拉伸强度约为17MPa，撕裂强度约为41kN/m，弹性为12％左右，可提高推进剂贮运作业的可靠性和安全性，应用前景广阔。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种丁基橡胶密封圈，以质量份计，由以下原料制得：丁基橡胶IIR301 100份、氧化锌2份、促进剂二硫化四甲基秋兰姆(TMTD)3.5份、促进剂二硫化苯并噻唑(DM)1.6份、防老化剂2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉(RD)2.1份、石蜡2.5份、快压出炉黑(FEF)35份、硅烷偶联剂四硫化双硅烷(Si-69)0.8份、硬脂酸2.5份、链烷烃操作油20份和硫磺1.5份。
其中，丁基橡胶IIR301为德国朗盛进口，其余原料为国内市售，所述链烷烃操作油分子量为400～500。
本实施例还提供上述丁基橡胶密封圈的制备方法，包括：采用密炼机一段混炼的方式逐批加入原料，每批加料时按照丁基橡胶IIR301、石蜡、硬脂酸、氧化锌、TMTD、DM、RD、Si-69、链烷烃操作油、FEF、硫磺的顺序加料，混炼温度为175℃，混炼时间为2h，得到的混炼胶挤成棒状出料，冷却4h，使其充分反应，释放应力；然后将混炼胶放入密封圈成型模具中，在169℃、0.7MPa条件下硫化24min，冷却后切除多余料，即得所述丁基橡胶密封圈。
实施例2
本实施例提供一种丁基橡胶密封圈，以质量份计，由以下原料制得：丁基橡胶IIR301 100份、氧化锌1.5份、促进剂二硫化四甲基秋兰姆(TMTD)3份、促进剂二硫化苯并噻唑(DM)1.3份、防老化剂2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉(RD)1.8份、石蜡2.1份、快压出炉黑(FEF)35份、硅烷偶联剂四硫化双硅烷(Si-69)0.8份、硬脂酸2份、链烷烃操作油21份和硫磺1.5份。
其中，丁基橡胶IIR301为德国朗盛进口，其余原料为国内市售，所述链烷烃操作油分子量为400～500。
本实施例还提供上述丁基橡胶密封圈的制备方法，包括：采用密炼机一段混炼的方式逐批加入原料，每批加料时按照丁基橡胶IIR301、石蜡、硬脂酸、氧化锌、TMTD、DM、RD、Si-69、链烷烃操作油、FEF、硫磺的顺序加料，混炼温度为185℃，混炼时间为2h，得到的混炼胶挤成棒状出料，冷却4h，使其充分反应，释放应力；然后将混炼胶放入密封圈成型模具中，在169℃、0.75MPa条件下硫化26min，冷却后切除多余料，即得所述丁基橡胶密封圈。
实施例3
本实施例提供一种丁基橡胶密封圈，以质量份计，由以下原料制得：丁基橡胶IIR301 100份、氧化锌2.5份、促进剂二硫化四甲基秋兰姆(TMTD)4份、促进剂二硫化苯并噻唑(DM)1.9份、防老化剂2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉(RD)2.4份、石蜡2.5份、快压出炉黑(FEF)35份、硅烷偶联剂四硫化双硅烷(Si-69)0.8份、硬脂酸3份、链烷烃操作油21份和硫磺1.5份。
其中，丁基橡胶IIR301为德国朗盛进口，其余原料为国内市售，所述链烷烃操作油分子量为400～500。
本实施例还提供上述丁基橡胶密封圈的制备方法，包括：采用密炼机一段混炼的方式逐批加入原料，每批加料时按照丁基橡胶IIR301、石蜡、硬脂酸、氧化锌、TMTD、DM、RD、Si-69、链烷烃操作油、FEF、硫磺的顺序加料，混炼温度为165℃，混炼时间为2h，得到的混炼胶挤成棒状出料，冷却4h，使其充分反应，释放应力；然后将混炼胶放入密封圈成型模具中，在169℃、0.65MPa条件下硫化23min，冷却后切除多余料，即得所述丁基橡胶密封圈。
实施例4
本实施例提供一种丁基橡胶密封圈，其余与实施例1相同，不同的是链烷烃操作油分子量为300～320。其制备方法同实施例3。
对比例1
本对比例提供一种全氟醚橡胶密封圈。
对比例2
本对比例提供一种IIR1403密封圈。
对比例3
本对比例提供一种丁基橡胶密封圈，以质量份计，由以下原料制得：丁基橡胶IIR301 100份、氧化锌6份、促进剂二硫化四甲基秋兰姆(TMTD)4份、促进剂二硫化苯并噻唑(DM)5份、防老化剂2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉(RD)3份、石蜡5份、快压出炉黑(FEF)35份、硅烷偶联剂四硫化双硅烷(Si-69)4份、硬脂酸5份、链烷烃操作油20份和硫磺3份。其制备方法同实施例1。
其中，丁基橡胶IIR301为德国朗盛进口，其余原料为国内市售，所述链烷烃操作油分子量为400～500。
性能测试
对实施例1～4中的丁基橡胶密封圈及对比例1～3中的密封圈进行物理化学性能测试，测试项目及测试方法如下，结果如表1所示。
密度：采用称量计算法进行，将样品放入盛水的量筒中，根据放入前后的体积变化确定样品体积，使用A-200天平测试重量，计算得出密度；
硬度：使用邵尔A-1型硬度计，按照GB/T 6031-1998测量邵氏硬度；
拉伸强度：使用万能材料试验机按照GB/T 528-2009测量；
撕裂强度：使用万能材料试验机按照GB/T 529-2008测量；
弹性：使用万能材料试验机按照HGT 3321-2012测量；
与四氧化二氮相容性：按照GB/T 14832-2008测量最大体积溶胀率，当溶胀率大于等于10％时，认定样品失效。
表1各样品物理化学性能测试结果
从上表可以看出，对比例2和3的产品力学性能和与四氧化二氮相容性均不如本发明产品；对比例1的全氟醚橡胶密封圈虽然与四氧化二氮相容性不错，但在-20℃以下的环境温度中使用时，其弹性大幅下降，容易出现变形不回弹、压裂等问题。综上，本发明的丁基橡胶密封圈同时具有良好的力学性能和耐四氧化二氮腐蚀性，适用于四氧化二氮的贮存和运输等。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种丁基橡胶密封圈，其特征在于，以质量份计，包括以下原料制得：丁基橡胶IIR301 100份、氧化锌0.5～5份、二硫化四甲基秋兰姆1～8份、二硫化苯并噻唑0.5～4份、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉1～5份、石蜡0.5～4份、快压出炉黑20～50份、四硫化双硅烷0.1～2份、硬脂酸1～7份、链烷烃操作油5～30份和硫磺1～4份。
2.根据权利要求1所述的一种丁基橡胶密封圈，其特征在于，以质量份计，包括以下原料制得：丁基橡胶IIR301 100份、氧化锌1.0～2.5份、二硫化四甲基秋兰姆2.0～4.0份、二硫化苯并噻唑1.0～2.0份、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉1.5～2.5份、石蜡1.7～2.5份、快压出炉黑27～40份、四硫化双硅烷0.6～1.1份、硬脂酸1～3份、链烷烃操作油10～25份和硫磺1.5份。
3.根据权利要求1或2所述的一种丁基橡胶密封圈，其特征在于，所述链烷烃操作油的分子量为400～500。
4.权利要求1～3任一项所述的丁基橡胶密封圈的制备方法，其特征在于，包括：先将各原料进行混炼得到混炼胶，再将所述混炼胶放入丁基橡胶密封圈的模具中进行硫化。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混炼温度为160～190℃。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述混炼时间为1.5～2.5h，优选为2h。
7.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述硫化温度为165～190℃，优选为165～175℃。
8.根据权利要求4～7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述硫化压力为0.5～0.8MPa。
9.根据权利要求4～8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述硫化时间为23～26min。
10.权利要求1～3任一项所述的丁基橡胶密封圈在四氧化二氮介质中的应用。
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