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高粘合强度氟硅橡胶膜片的研制


                                 高粘合强度氟硅橡胶膜片的研制
                                          尚晓伟,黄 静,肖宏军
               (西北橡胶塑料研究设计院,陕西咸阳 712023)
    摘 要:通过对氟硅橡胶生胶牌号、白炭黑用量、结构控制剂的选取及织物处理工艺的改进,研制出满足粘接强度要求和寿命要求的氟硅橡胶膜片。经寿命考核试验,结果表明,所研制的膜片在规定实验条件下,密封性良好;橡胶与织物在(450±50)kPa的工作压力下,当剥离强度为≥1.6kN/m时,氟硅橡胶膜片工作寿命能达12000次;分解检查经过装机试验后的氟硅橡胶膜片,改进后的氟硅橡胶膜片达到了设计要求,满足了使用寿命要求。
    关键词:橡胶膜片;氟硅橡胶;粘合强度;使用寿命;表面处理白炭黑
    中图分类号:TQ333.93;TQ336.8  文献标识码:B   文章编号:1005-4030(2014)04-0042-05
    橡胶膜片主要由橡胶材料和骨架材料两大类材料组成。橡胶材料中氟硅橡胶具有良好的耐高温,耐油污等优点,近年来,考虑环保和其他要求,氟硅橡胶膜片广泛应用于现代航空航天和汽车行业[1]。骨架材料中涤纶纤维具有强度高、弹性好、耐光性好、耐热性和热稳定性好等优点,还具有良好的电绝缘性、较好的耐化学试剂性,能耐弱酸弱碱等特性,广泛用于高性能膜片中的骨架材料[2]。涤纶分子中存在大量的苯环,妨碍极性粘着剂的官能团和极性酯基相作用,特别是酯基和苯环的高度不对称,使其分子易于结晶。由于分子的结晶作用和高密度,使得涤纶纤维与橡胶粘合困难,因此提高氟硅橡胶与涤纶纤维的粘合强度是研制高性能长寿命氟硅橡胶膜片的关键。本工作通过对氟硅橡胶生胶牌号的对比选取,白炭黑用量、结构控制剂的选取及织物处理工艺的改进,研制出了满足粘合强度要求和寿命要求的氟硅橡胶膜片。
    1 实验部分
    1.1 主要原材料
    氟硅橡胶2802(相对分子质量70~90万),2803(相对分子质量90~110万)、2804(相对分子质量110~130万),上海三爱富新材料股份有限公司;气相法白炭黑A-200,沈阳化工公司;羟基硅油,二苯基硅二醇,四川晨光院;羟基氟硅油,上海三爱富新材料股份有限责任公司;硅氮烷表面处理气相法白炭黑,硅酮表面处理气相法白炭黑,胶粘剂,自制;涤纶纤维,四川海荣;其他均为橡胶工业市售品。
    1.2 仪器与设备
    XK-160型开炼机,广东湛江机械厂;X(S)K-360型开炼机,上海橡胶机械一厂;YX-25平板硫化机,上海西玛玮力橡塑机械有限公司;
    CMT5105万能材料试验机,深圳市新三思材料检测有限公司;圈涂式涂胶机,自制。
    1.3 试样制备
    1.3.1 胶料制备
    按配方称取各组分,在开炼机上加入生胶,待包辊后,分批加入白炭黑、羟基硅油;待白炭黑全部混入后,加入氧化铁和硫化剂,混合均匀,薄通3遍,打卷,待用。胶料停放24h后,硫化试样。一段硫化条件:160℃×15min,硫化压力(10±2)MPa(表压),该胶料不进行二段硫化。
    1.3.2 胶浆制备
    将性能合格的混炼胶切成小块,与丁酮溶剂按1∶1.5~2.5(质量比)加入打浆机中,搅拌30min后倒出,用120目滤网将胶液中的杂质过滤掉,用作涂胶的胶浆。
    1.3.3 织物处理
    (1)将织物裁剪成长为160mm,宽为200mm的布块;(2)先将织物在10%的NaOH 溶液中浸泡30min后取出,用蒸馏水清洗;(3)将织物在pH 值为2~3的HCl溶液中浸泡30min后取出,用蒸馏水清洗;(4)将硅烷溶于乙醇,混合成浓度分别为10%,15%,20%的处理液。将织物分别浸泡其中,60min后取出,晾干,在相对湿度不大于55%的环境下停放24h后用于制备试样,与未经处理的涤纶织物作剥离强度对比试验。
    1.3.4 涂胶
    将经过增粘处理的涤纶布裁成长度为(800±30)cm,宽度为(50±5)cm。将裁好的涤纶布两端缝合于涂胶机上,调节张紧辊使布保持平整。将胶浆均匀地涂覆到织物上表面至所需厚度(圈涂式涂胶机能精确控制涂胶布的厚度范围是0.2~1.0mm),待涂层厚度达到所需厚度时,用滑石粉隔离,再将布面翻转,涂布的另一面。为了使胶浆中的溶剂快速挥发,每次所涂胶层的厚度应控制在0.02mm,将涂胶机加热烘道的温度设定为(50±5)℃,涂胶布用120目过筛的滑石粉隔离。
    1.3.5 试样制备
    将氟硅橡胶混炼胶在开炼机上出成厚度为1mm,长度、宽度分别为160mm、180mm的胶片,将胶片放置在两块织物中间,放入模具中硫化;将硫化好的胶布片裁剪成25mm 宽的试样,每片胶布片共裁剪5 个试样。停放6h 后,进行性能测试。
    1.4 技术要求
    表1为氟硅橡胶的主要技术指标及胶料测试方法。
              
    1.5 胶料配方
    表2为试验胶料的配方。

    2 结果与讨论
    2.1 氟硅橡胶膜片生胶牌号的选择
    表3列出了不同牌号及相对分子质量的氟硅橡胶性能对比结果。
                 
    从表3可看出,相对分子质量高的氟硅胶拉伸强度、拉断伸长率及剥离强度高。拉伸强度、拉断伸长率高有利于氟硅橡胶的耐屈挠疲劳性。剥离强度高,不易发生橡胶与织物脱层现象。3种胶料的邵尔A 硬度值差别小,且耐油性相差不大。综合分析选择高相对分子质量的氟硅橡胶作为橡胶膜片制备用本体橡胶材料。
    2.2 白炭黑对氟硅橡胶粘合强度的影响
    2.2.1 白炭黑品种对氟硅橡胶粘合强度的影响
    3种不同的气相法白炭黑对氟硅橡胶粘合性能的影响见表4。
              
    从表4可看出,使用3种气相法白炭黑补强的氟硅橡胶,物理机械性能较为接近。使用表面处理气相法白炭黑补强的胶料,接合性能比普通白炭黑好,其中使用硅氮烷表面处理气相法白炭黑的效果最好。
    2.2.2 白炭黑用量对粘合性能的影响
    硅氮烷表面处理气相法白炭黑的不同用量对氟硅橡胶性能的影响见表5。
                
    由表5可见,随着白炭黑用量的增加,拉伸强度呈现上升趋势,拉断伸长率呈现下降趋势。试验证明,当氟硅橡胶的硬度小于55时,橡胶膜片的密封性不好;硬度大于70时,密封性虽好,但橡胶膜片的灵敏性较差;当硬度在65±5时,橡胶膜片的密封性及灵敏性均较好。从表5还可看出,炭黑用量为50份时,胶料的硬度为64,且剥离强度出现最大值1.7kN/m。综合考虑,适宜的白炭黑用量为50份。
    2.3 结构控制剂对氟硅橡胶粘合强度的影响
    2.3.1 不同种类结构控制剂对粘合的影响
    使用结构控制剂的目的是改善氟硅橡胶的加工工艺性能,但使用不同的结构控制剂会对胶料的性能产生影响。表6是不同种类的结构控制剂对氟硅橡胶粘合性能的影响。
               
     从表6中可以看出,使用二苯基硅二醇的胶料拉伸强度及拉断伸长率最好,但其与织物的粘合性能最差。采用羟基氟硅油的胶料拉伸强度及拉断伸长率仅次于二苯基硅二醇,但剥离强度却远远高于它。从有利于提高粘合强度的角度考虑,选用羟基氟硅油作为胶料的结构控制剂。
    2.3.2 不同用量结构控制剂对接合性能的影响
    表7是不同用量结构控制剂对氟硅橡胶粘合性能的影响。
               
    由表7可看出,当胶料中添加不同量的结构控制剂时,胶料的物理机械性能相近,但胶料的粘合性能差异较大,当羟基氟硅油的用量在5%时,氟硅橡胶的剥离强度出现最大值2.2kN/m,当羟基氟硅油的用量在10%时,剥离强度次之为1.8kN/m。当羟基氟硅油的用量达15%~20%时,氟硅橡胶的剥离强度值下降较大降至1.0kN/m附近。当羟基氟硅油的用量在5%时,氟硅橡胶的工艺性较差,约4~6h就会结构化,而当羟基氟硅油的用量在10%时,氟硅橡胶的工艺性较较好,约96~120h才会出现结构化的现象。综合考虑胶料的工艺性能等因素,结构控制剂的用量确定为10%。
    2.4 氟硅橡胶膜片织物处理用处理液浓度的确定
    表8是不同处理液浓度对氟硅橡胶与涤纶织物粘合性能的影响。
               
    从表8中可看出,3组试验中,样品1(用浓度为10%的处理液处理的织物)与氟硅橡胶的剥离强度值都小于1.0kN/m,粘合效果较差。样品3(用浓度为20%的处理液处理的织物)与氟硅橡胶的剥离强度的最大值仅为1.1kN/m,粘合效果一般,而样品2(用浓度为15%的处理液处理的织物)的剥离强度值在1.5kN/m,粘合效果较好。
    据以上测试数据可看出,处理液中添加的硅烷偶联剂,虽对氟硅橡胶与涤纶织物的粘合起到了重要的作用,但应当选择适合的浓度,浓度小了或大了都会影响粘合效果。所以处理液的浓度选用为15%。
    2.5 制作氟硅橡胶膜片使用的胶料
    分别用料1,料2及料3,3个不同粘合强度的氟硅橡胶制造橡胶膜片,并对其寿命进行考核,料1,料2及料3的配方见表9,主要胶料性能对比见表10。
               
    3 工艺流程
    氟硅橡胶膜片的工艺流程图见图1。
              
    4 成品测试及使用情况
    4.1 橡胶膜片成品性能考核及对粘合强度的要求
    橡胶膜片的成品性能考核试验,包括密封性能考核及寿命考核两部分。
    4.1.1 橡胶膜片的密封性考核
    考察橡胶膜片的密封性能,需要将膜片在工作压力及极限压力下进行密封考核,橡胶膜片的结构示意图见图2,工装结构图见图3。
     
    密封性能考核条件:(1)常温密封性,常温下将橡胶膜片置于试验工装,给膜片加(450±50)kPa(表压)保持3min,膜片应完好。(2)常温静力负荷,常温下给膜片加(900±50)kPa(表压)保持3min,膜片应完好。(3)高温密封性,将橡胶膜片浸泡于RP-3油,150℃×24h后取出自然冷却,停放不少于6h后,给膜片加(450±50)kPa(表压)保持3min,膜片应完好。(4)高温静力负荷试验:做完高温密封性的橡胶膜片,继续给膜片加(900±50)kPa(表压)保持3min,膜片应完好。
    4.1.2 橡胶膜片的寿命考核
    研制的氟硅橡胶膜片寿命考核试验的条件为:常温下工作8000次,(-45±2)℃ 下工作2000次,(100±2)℃下工作2000次。将膜片装入壳体,给工作腔施加(0.45±0.05)MPa的燃油压力,保持30s后泄压,完成工作一次。在12000次寿命试验过程中膜片不得发生泄露现象,全寿命试验后分解,膜片不得有异常现象(膜片不能有鼓包、脱胶及断裂现象)。
    膜片寿命考核的试验工装图见图4。
              
    4.2 试验结果
    用料1,料2及料3分别制作的橡胶膜片,经密封性试验考核均能满足试验要求。料1做到4800次时,试验情况异常,经分解发现,胶层有断裂现象;料2经8800次寿命试验后分解发现,膜片表面有鼓包现象;料3经12000次寿命试验后分解检查,橡胶膜片外观无异常现象。
    由此,可以得出结论,当橡胶与织物的剥离强度≥1.6kN/m,在(450±50)kPa的工作压力下,氟硅橡胶膜片能可靠地完成12000次工作寿命。分解检查经过装机试验后的氟硅橡胶膜片。样品3氟硅橡胶膜片达到了设计要求,满足了使用寿命要求。
    5·结论
    氟硅橡胶与涤纶织物的粘合强度越大,橡胶膜片的使用寿命越长;当橡胶与织物的剥离强度≥1.6kN/m时,在(450±50)kPa的工作压力下,氟硅橡胶膜片寿命达12000次;改进后的氟硅橡胶膜片达到了设计要求,满足了使用寿命要求。
参考文献:
[1]王春华.具有良好接合性能的氟硅橡胶的研制[J].有机硅材料,2006,20(3):114-116.
[2]关静,刘君.一种汽车用氟硅橡胶/涤纶织物橡胶膜片的研制[J].特种橡胶制品,2000,21(1):38-40.


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