CN109824951B - 一种改性橡胶密封件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性橡胶密封件及其制备方法，涉及改性橡胶领域。其技术要点是：改性橡胶密封件由以下质量份数的原料制成：丁苯橡胶70‑80份；三元乙丙橡胶50‑60份；硫磺0.1‑0.3份；氧化锌2‑2.5份；硬脂酸0.5‑1份；促进剂DM 1‑1.5份；二氧化硅4‑6份：碳纤维管3‑5份改性芳纶纤维1‑3份；所述改性芳纶纤维的制备方法如下：将丙酮溶液投入容器中，再将芳纶纤维、二苯甲酮和甲基丙烯酸缩水甘油酯投入丙酮溶液中，通氮气除氧后在紫外光的辐射下进行接枝反应，反应完成后，过滤，洗涤，干燥，得到改性芳纶纤维。本发明制备的改性橡胶密封件具有耐高温、力学能能优异、耐老化性能好的优点。

Description

一种改性橡胶密封件及其制备方法

技术领域

本发明涉及改性橡胶领域，更具体地说，它涉及一种改性橡胶密封件及其制备方法。

背景技术

橡胶密封件是密封装置中的一类通用基础元件，在泄漏和密封这一对矛盾中扮演十分重要的角色。在人类征服自然的过程中解决泄漏和密封问题。一直推动技术进步、防止和减少环境污染的重要途径。橡胶密封件是密封技术中广泛应用的一类橡胶制品。因为橡胶具有宝贵的弹性的高分子材料，较宽的温度范围，在不同介质中给予较小的应力就会产生较大的变形，这种变形可以提供接触压力，补偿泄漏间隙，达到密封的目的。

虽然，目前的橡胶密封垫能够满足大部分生产和生活的需求，但是在高温、高压的环境中，橡胶密封垫受到热氧化和较大的压力容易老化，并且极易变形使得橡胶密封垫的密封性能急剧下降，从而极大地降低了橡胶密封垫的密封性能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种改性橡胶密封件，其具有耐高温、力学能能优异、耐老化性能好的优点。

本发明的目的二在于提供一种改性橡胶密封件的制备方法，采用该方法制备的改性橡胶密封件具有耐高温、力学能能优异、耐老化性能好的优点。

为实现上述目的一，本发明提供了如下技术方案：

一种改性橡胶密封件，由以下质量份数的原料制成：

丁苯橡胶70-80份；

三元乙丙橡胶50-60份；

硫磺0.1-0.3份；

氧化锌2-2.5份；

硬脂酸0.5-1份；

促进剂DM 1-1.5份；

二氧化硅4-6份：

碳纤维管3-5份

改性芳纶纤维1-3份；

所述改性芳纶纤维的制备方法如下：

将丙酮溶液投入容器中，再将芳纶纤维、二苯甲酮和甲基丙烯酸缩水甘油酯投入丙酮溶液中，通氮气除氧后在紫外光的辐射下进行接枝反应，反应完成后，过滤，洗涤，干燥，得到改性芳纶纤维。

通过采用上述技术方案，丁苯橡胶的加工性能及制品的使用性能接近于天然橡胶，特别是耐磨、耐热、耐老化及硫化速度较天然橡胶更为优良；三元乙丙橡胶的主要聚合物链是完全饱和的，这个特性使得三元乙丙橡胶可以抵抗热、光、氧气，尤其是臭氧。三元乙丙橡胶本质上是无极性的，对极性溶液和化学物具有抗性，吸水率低。氧化锌是促进剂DM和硫磺的良好活性剂，能够使其更快、更深入的发挥作用，配合硬脂酸调节酸碱性，使其活化作用更强，二氧化硅作为填料使产品更具耐磨性且容易加工。

碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa，它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。可增强改性橡胶密封件的耐高温性能、抗撕裂性和弹性。

芳纶纤维经过紫外光引发表面接枝后，表面的活性官能团显著增加，可增强芳纶纤维与橡胶的界面粘接强度，即使受到剪切力粘接界面也不会被破坏，经测试粘接界面具有较好的耐高温老化性能。碳纳米管和芳纶纤维配合显著提升橡胶的耐高温性能、抗撕裂性、弹性和密封性。

进一步优选为，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯与丙酮溶液的质量比为3-5％。

通过采用上述技术方案，在上述浓度下，甲基丙烯酸缩水甘油酯的接枝率较高，避免其浓度太高引起单体之间的自聚反应。

进一步优选为，所述二苯甲酮与丙酮溶液的质量比为1-2％。

通过采用上述技术方案，上述浓度的二甲丙酮作为光引发剂，能够引发接枝反应。

进一步优选为，所述紫外光的辐射时间为10-15min。

通过采用上述技术方案，辐射时间达到10min时，接枝率已达到要求，超过15min后，接枝率没有明显上升，因此控制在上述时间内。

进一步优选为，所述芳纶纤维在投入丙酮溶液之前进行等离子体处理，所述等离子体处理的步骤为：将芳纶纤维置于等离子设备的电刷的正下方，距离电刷喷口的距离为2-3cm，均匀移动电刷，使芳纶纤维表面得到均匀处理。

通过采用上述技术方案，芳纶纤维经过等离子体处理后，芳纶纤维表面粗糙度和润湿性均有增加，从而使纤维与橡胶的粘接强度增加。

进一步优选为，所述等离子体处理的条件为：功率70-80W，时间30-50s，环境湿度60-80％。

通过采用上述技术方案，在上述条件下，处理后的芳纶纤维表面粗糙度更好，亲水性更佳。

为实现上述目的二，本发明提供了如下技术方案：

一种改性橡胶密封件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将丁苯橡胶、三元乙丙橡胶投入密炼设备中进行密炼，然后加入氧化锌、硬脂酸、促进剂、二氧化硅、碳纤维管、改性芳纶纤维，再次密炼，得到混炼胶；

步骤二，将混炼胶投入开炼设备进行开炼，静置5-10h后加入硫磺，再次进行开炼，得到胶料；

步骤三，将胶料放入硫化机的模具内，进行硫化，硫化结束后冷却至室温，脱模得到所述改性橡胶密封件。

通过采用上述技术方案，丁苯橡胶、三元乙丙橡胶在经过混炼和开炼后，其他材料在生胶中均匀分散，其他材料呈分散相，生胶呈连续相，提高橡胶的各项性能。

进一步优选为，所述步骤三中的硫化温度为160-170℃，硫化时间为20-30min。

通过采用上述技术方案，硫磺使得橡胶内部分子重新排列，从而使得橡胶弹性和强度提高，且更加耐磨。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)丁苯橡胶的耐磨、耐热、耐老化及硫化速度较天然橡胶更为优良，三元乙丙橡胶可以抵抗热、光、氧气造成的老化，而且对极性溶液和化学物具有抗性，吸水率低，氧化锌和促进剂DM复配，并配合硬脂酸调节酸碱性，能够使硫磺更快、更深入的发挥硫化作用，二氧化硅作为填料使产品更具耐磨性且容易加工；碳纳米管可增强改性橡胶密封件的耐高温性能、抗撕裂性和弹性，芳纶纤维经过紫外光引发表面接枝后，表面的活性官能团显著增加，可增强芳纶纤维与橡胶的界面粘接强度，即使受到剪切力粘接界面也不会被破坏，且具有较好的耐高温老化性能，碳纳米管、芳纶纤维与上述原料配合使用，显著提升橡胶的耐高温性能、抗撕裂性、弹性和密封性；

(2)芳纶纤维经过等离子体处理后，芳纶纤维表面粗糙度和润湿性均有增加，从而使纤维与橡胶的粘接强度增加，当同时进行等离子体处理和接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯后，橡胶的耐高温性能、抗撕裂性、弹性和密封性最佳。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：一种改性橡胶密封件，各组分及其相应的质量份数如表1所示，并通过如下步骤制备获得：

步骤一，将丁苯橡胶、三元乙丙橡胶投入密炼机中进行密炼，然后加入氧化锌、硬脂酸、促进剂、二氧化硅、碳纤维管、改性芳纶纤维，再次密炼，得到混炼胶；

步骤二，将混炼胶投入开炼机进行开炼，静置5h后加入硫磺，再次进行开炼，得到胶料；

步骤三，将胶料放入硫化机的模具内，进行硫化，硫化温度为160℃，硫化时间为30min，硫化结束后冷却至室温，脱模得到所述改性橡胶密封件。

其中，改性芳纶纤维的制备方法如下：将100mL丙酮溶液投入容器中，再将芳纶纤维、二苯甲酮和甲基丙烯酸缩水甘油酯投入丙酮溶液中，通氮气除氧后在紫外光的辐射下进行接枝反应，辐射时间为10min，反应完成后，过滤，洗涤，干燥，得到改性芳纶纤维；甲基丙烯酸缩水甘油酯与丙酮溶液的质量比为3％；二苯甲酮与丙酮溶液的质量比为1％。

实施例2-9：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，各组分及其相应的质量份数如表1所示。

表1实施例1-9中各组分及其质量份数

实施例10：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，改性芳纶纤维的制备方法如下：将100mL丙酮溶液投入容器中，再将芳纶纤维、二苯甲酮和甲基丙烯酸缩水甘油酯投入丙酮溶液中，通氮气除氧后在紫外光的辐射下进行接枝反应，辐射时间为13min，反应完成后，过滤，洗涤，干燥，得到改性芳纶纤维；甲基丙烯酸缩水甘油酯与丙酮溶液的质量比为4％；二苯甲酮与丙酮溶液的质量比为1.5％。

实施例11：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，改性芳纶纤维的制备方法如下：将100mL丙酮溶液投入容器中，再将芳纶纤维、二苯甲酮和甲基丙烯酸缩水甘油酯投入丙酮溶液中，通氮气除氧后在紫外光的辐射下进行接枝反应，辐射时间为15min，反应完成后，过滤，洗涤，干燥，得到改性芳纶纤维；甲基丙烯酸缩水甘油酯与丙酮溶液的质量比为5％；二苯甲酮与丙酮溶液的质量比为2％。

实施例12：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，步骤三中的硫化温度为165℃，硫化时间为25min。

实施例13：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，步骤三中的硫化温度为170℃，硫化时间为20min。

实施例14：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，芳纶纤维在投入丙酮溶液之前进行等离子体处理，等离子体处理的步骤为：将芳纶纤维置于介质阻挡放电常压等离子设备的电刷的正下方，距离电刷喷口的距离为2cm，均匀移动电刷，使芳纶纤维表面得到均匀处理，等离子体处理的条件为：功率70W，时间50s，环境湿度60％。

实施例15：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，芳纶纤维在投入丙酮溶液之前进行等离子体处理，等离子体处理的步骤为：将芳纶纤维置于介质阻挡放电常压等离子设备的电刷的正下方，距离电刷喷口的距离为2cm，均匀移动电刷，使芳纶纤维表面得到均匀处理，等离子体处理的条件为：功率75W，时间40s，环境湿度70％。

实施例16：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，芳纶纤维在投入丙酮溶液之前进行等离子体处理，等离子体处理的步骤为：将芳纶纤维置于介质阻挡放电常压等离子设备的电刷的正下方，距离电刷喷口的距离为3cm，均匀移动电刷，使芳纶纤维表面得到均匀处理，等离子体处理的条件为：功率80W，时间30s，环境湿度80％。

对比例1：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，未加入碳纳米管和改性芳纶纤维。

对比例2：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，未加入碳纳米管，且改性芳纶纤维替换为普通芳纶纤维。

对比例3：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，未加入改性芳纶纤维。

对比例4：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，未加入碳纳米管。

对比例5：一种改性橡胶密封件，与实施例1的不同之处在于，未加入三元乙丙橡胶。

性能测试

试验方法：实施例1-16和对比例1-5所得的改性橡胶密封件的硬度按照GB/T531.1的规定进行实验，拉断强度和拉断伸长率按照GB/T528的规定进行实验，撕裂强度按GB/T529的规定进行实验，测试结果见表2；实施例1-16和对比例1-5在150℃下老化70h后继续测试其物理性能，测试结果见表3；

将实施例1-16和对比例1-5所得的改性橡胶密封件同时放入35℃的丙酮、溴(无水)、氢氧化钠(50％)、硝酸(70％)、氢氟酸中进行浸泡测试，测试时间分别为7天、7天、5天、5天、5天，取出后观察并记录样品变化情况。

试验结果：由表2可知，与对比例1相比，对比例2和对比例3在分别加入芳纶纤维和纳米碳管后，橡胶的硬度有所上升，且一般的密封件硬度在75-85之间密封效果较佳，撕裂强度、拉断强度和拉断伸长率均有所上升，对比例4对芳纶纤维改性后，硬度、撕裂强度、拉断强度和拉断伸长率进一步上升，实施例1的撕裂强度、拉断强度和拉断伸长率的增加值均大于对比例3和对比例4的总和，说明改性芳纶纤维和纳米碳管复配使用，协同增效，并配合本发明的其他组分，显著提升橡胶的撕裂强度、拉断强度和拉断伸长率。实施例14-16的各项性能达到最优，说明芳纶纤维经过等离子体处理后，芳纶纤维表面粗糙度和润湿性均有增加，从而使纤维与橡胶的粘接强度增加，橡胶的撕裂强度、拉断强度和拉断伸长率达到最佳。

由表3可知，在150℃下老化70h后，对比例3和4的硬度上升，撕裂强度和拉断强度下降，而且实施例1的撕裂强度和拉断强度的下降幅度远小于对比例3和4，实施例14-16的各项性能达到最优，说明丁苯橡胶和三元乙丙橡胶复配使用，氧化锌和促进剂DM复配，并配合硬脂酸调节酸碱性，能够使硫磺更快、更深入的发挥硫化作用，二氧化硅作为填料使产品更具耐磨性且容易加工；碳纳米管可增强改性橡胶密封件的耐高温性能、抗撕裂性和弹性，芳纶纤维经过紫外光引发表面接枝后，表面的活性官能团显著增加，可增强芳纶纤维与橡胶的界面粘接强度，即使受到剪切力粘接界面也不会被破坏，本发明的各组分复配使用，显著提升橡胶的耐高温老化性能。

由表4可知，对比例1-5在丙酮、溴(无水)、氢氧化钠(50％)、硝酸(70％)、氢氟酸中浸泡后体积变大，而实施例1-16未出现异常，说明本发明的橡胶对有机溶剂、酸碱具有较强的抗性，耐老化性能显著增强。

表2实施例1-16和对比例1-5的物理性能测试结果

表3实施例1-16和对比例1-5在150℃下老化70h后物理性能测试结果

表4实施例1-16和对比例1-5的耐老化性测试

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种改性橡胶密封件，其特征在于，由以下质量份数的原料制成：

丁苯橡胶70-80份；

三元乙丙橡胶50-60份；

硫磺0.1-0.3份；

氧化锌2-2.5份；

硬脂酸0.5-1份；

促进剂DM 1-1.5份；

二氧化硅4-6份：

碳纤维管3-5份

改性芳纶纤维1-3份；

所述改性芳纶纤维的制备方法如下：

将丙酮溶液投入容器中，再将芳纶纤维、二苯甲酮和甲基丙烯酸缩水甘油酯投入丙酮溶液中，通氮气除氧后在紫外光的辐射下进行接枝反应，反应完成后，过滤，洗涤，干燥，得到改性芳纶纤维；

芳纶纤维在投入丙酮溶液之前进行等离子体处理，等离子体处理的步骤为：将芳纶纤维置于等离子设备的电刷的正下方，距离电刷喷口的距离为2-3cm，均匀移动电刷，使芳纶纤维表面得到均匀处理；等离子体处理的条件为：功率70-80W，时间30-50s，环境湿度60-80%。

2.根据权利要求1所述的一种改性橡胶密封件，其特征在于，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯与丙酮溶液的质量比为3-5%。

3.根据权利要求1所述的一种改性橡胶密封件，其特征在于，所述二苯甲酮与丙酮溶液的质量比为1-2%。

4.根据权利要求1所述的一种改性橡胶密封件，其特征在于，所述紫外光的辐射时间为10-15min。

5.权利要求1-4任一项所述的改性橡胶密封件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将丁苯橡胶、三元乙丙橡胶投入密炼设备中进行密炼，然后加入氧化锌、硬脂酸、促进剂、二氧化硅、碳纤维管、改性芳纶纤维，再次密炼，得到混炼胶；

步骤二，将混炼胶投入开炼设备进行开炼，静置5-10h后加入硫磺，再次进行开炼，得到胶料；

步骤三，将胶料放入硫化机的模具内，进行硫化，硫化温度为160-170℃，硫化时间为20-30min，硫化结束后冷却至室温，脱模得到所述改性橡胶密封件。