盧云麗

(中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第二采氣廠, 陜西 榆林 718100)

橡膠發(fā)泡是指用特定的發(fā)泡劑處理橡膠從而使橡膠具有特征性能的處理手段[1]。發(fā)泡橡膠具有密度小、節(jié)省原料、隔熱保溫、吸收沖擊載荷等特性，被廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、汽車和輕工等相關(guān)領(lǐng)域[2]。發(fā)泡橡膠的質(zhì)量不僅與助劑含量、工藝參數(shù)有關(guān)，還直接與發(fā)泡劑種類及其含量有關(guān)。在生產(chǎn)中，常用的發(fā)泡劑有AC、OBSH等。由于發(fā)泡劑的使用種類和含量不同，會使發(fā)泡橡膠存在各種缺陷，這些缺陷的存在，將嚴(yán)重影響橡膠發(fā)泡材料的各種性能，也就直接影響發(fā)泡材料的使用范圍[3]。因此，不管是理論上還是生產(chǎn)實際中，找出合適發(fā)泡材料生產(chǎn)過程中所必需的發(fā)泡劑種類及其含量，并降低生產(chǎn)成本是很有必要的。

本文研究不同發(fā)泡劑對橡膠的發(fā)泡行為的影響。在實驗過程中，我們固定工藝參數(shù)(主要是發(fā)泡時間和溫度，通過改變所加入的發(fā)泡劑種類（AC、OBSH）及含量制取發(fā)泡試樣，然后對其發(fā)泡行為進行測試，分析發(fā)泡劑對發(fā)泡橡膠發(fā)泡行為的影響規(guī)律，以便找出適合的發(fā)泡劑種類及其含量，降低生產(chǎn)成本。

1 實驗部分

1.1 主要原料

1#標(biāo)準(zhǔn)天然膠(SCR)，工業(yè)級，西雙版納南博有限責(zé)任公司；白陶土，工業(yè)級，廣州化學(xué)試劑廠；促進劑TT，化學(xué)純，廣州化學(xué)試劑廠；發(fā)泡劑AC，分析純， 宜賓天原化工廠；發(fā)泡劑OBSH，化學(xué)純，廣州金昌盛科技有限公司；ZnO，工業(yè)級，廣州化學(xué)試劑廠；硫磺，工業(yè)級，廣州化學(xué)試劑廠。

1.2 主要儀器

JX(S)K-160型開放式煉膠機，上海機械一廠；QLB-D350×350×2-0.25MN型平板硫化機，上海第一橡膠機械廠；M2000-FAN型發(fā)泡橡膠無轉(zhuǎn)子硫變儀，高鐵科技股份有限公司；WTD-0.5型沖擊彈性試驗機，江都市新真威試驗機械有限責(zé)任公司；DXLL-5000型拉力試驗機，上海登杰機械有限公司；LX-A型邵氏橡膠硬度計，上海六菱儀器廠。

1.3 樣品制備

樣品制備分以下步驟進行：

（1）將成塊的天然橡膠切下，按一定比例（見表1）與白陶土加入密煉機煉機中混煉5min；

（2）稱取ZnO、SA、TT（2份）、S，按先后順序加入密煉機中進行混煉約5min（第一次混煉由于混煉室溫度較低，可根據(jù)室溫適當(dāng)延長混煉時間）；

（3）調(diào)整開煉機兩輥間距為5mm，將密煉完成后的橡膠在開煉機上再次進行混煉，直到表面看上去比較光滑為止；

（4）開煉完成后，從開煉機上取下樣品，并寫上標(biāo)簽；

（5）重復(fù) 2～4步驟，混煉 3、4、5、6份 AC含量及2、3、4、5、6份OBSH含量的樣品；

（6）將試樣分2組（A、B）分別在150℃恒溫下硫化與發(fā)泡10 min，A組測試發(fā)泡速率與硫化速率，B組測試其他發(fā)泡行為與力學(xué)性能。

1.4 性能測定

（1）測定發(fā)泡特性與硫化特性：將A組試樣沖切成適當(dāng)大小的圓形狀，放在M2000-FAN發(fā)泡橡膠無轉(zhuǎn)子硫變儀上以150℃恒溫硫化并發(fā)泡10 min，在測試過程中，系統(tǒng)會自動繪出其發(fā)泡曲線與硫化曲線，并自動記錄測試過程的各項數(shù)據(jù)變化值，我們可根據(jù)下式計算其發(fā)泡速率和硫化速率。

表1 發(fā)泡劑AC（OBSH）不同含量配方

（2）發(fā)泡B組試樣：將B組試樣切成適當(dāng)大小的方形，并放在XLB-D350×350×2平板硫化儀上用150℃進行硫化與發(fā)泡10 min，為后繼發(fā)泡行為測試及力學(xué)性能的測試做準(zhǔn)備。

（3）觀察泡孔質(zhì)量：將發(fā)泡后的B組試樣放在XTL-550E厚度測量型工業(yè)顯微鏡觀察泡孔質(zhì)量，并畫出泡孔模形，按下式分別計算出泡孔平均直徑、泡孔密度、泡孔直徑標(biāo)準(zhǔn)差。并拍下電鏡照片，以便分析其泡孔結(jié)構(gòu)。

以上三式中，D為泡孔平均直徑(μm)；Di為每個泡孔的直徑 (μm)；Vf發(fā)泡倍率 ；ρ、ρf分別為未發(fā)泡材料和發(fā)泡材料的密度(g/cm3)；ρc是泡孔密度(單位體積中的泡孔數(shù))(cells/cm3)；n是SEM照片中所測量面積A中的泡孔數(shù)，M是放大倍數(shù)，A是SEM 照片中所測量的面積(cm3)；Sd是泡孔直徑標(biāo)準(zhǔn)差 (μm)。

（4）測定表觀密度：打開XS-205電子分析天平，清零后將切成小塊的B組試樣放在盤中，等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后按OK鍵，測出其質(zhì)量，然后將試樣從盤中取出放在水中的籃中，等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后按OK鍵，天平就會自動算出試樣的表觀密度，每個試樣測3次，最后求平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同發(fā)泡劑對橡膠發(fā)泡質(zhì)量的影響

圖1是不同發(fā)泡劑對發(fā)泡橡膠泡孔直徑、泡孔密度、泡孔尺寸分布及表觀密度的影響?？梢钥闯?，含OBSH發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠的泡孔直徑、泡孔尺寸分布、表觀密度都比含AC發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠小，且泡孔直徑、泡孔尺寸分布在含量為4份時有最小值，材料的表觀密度在3、5份時相當(dāng)，都較小，但與4份時相差不大。而對于泡孔密度而言，含OBSH的發(fā)泡橡膠泡孔密度較大，在5份時最大，4份時最小，其值為5×106/cm3左右?？偟膩碇v，含OBSH發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠泡孔質(zhì)量較含AC發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠好，在3份時較佳。其主要機理是含不同發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠在發(fā)泡過程中的發(fā)泡過程與橡膠硫化過程匹配問題。

圖2是含不同發(fā)泡劑橡膠的發(fā)泡曲線與硫化曲線，表2～表5是不同含量AC與OBSH的發(fā)泡橡膠在發(fā)泡過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。從表中可知，含3份AC發(fā)泡劑的天然橡膠焦燒時間為1.32 min，而其正硫化時間為1.27 min，也就是說含AC發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠硫化時間相對滯后，在發(fā)泡劑分解完成后才開始硫化。由于含AC發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠硫化時間相對滯后，橡膠在硫化前期就發(fā)泡，這就導(dǎo)致了橡膠在發(fā)泡過程中的黏度不夠，發(fā)泡阻力較小，從而致使發(fā)泡過程中泡孔不斷長大，從而形成孔壁較弱，大泡或開孔結(jié)構(gòu)，引起泡孔直徑增大，泡孔尺寸分布不均勻，泡孔密度過大等一系列的發(fā)泡問題。而含OBSH發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠，其含量為3份時焦燒時間為0.55 min，t10為0.08 min，t90為0.57 min。也就是說含3份OBSH 的天然橡膠在熱硫化中期發(fā)泡，膠料已有足夠程度的交聯(lián)，黏度較高，孔壁較強，易于產(chǎn)生閉孔海綿。最終使含AC發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠泡孔質(zhì)量較含OBSH的發(fā)泡橡膠低。

表2 發(fā)泡劑AC不同含量的發(fā)泡曲線

表3 發(fā)泡劑OBSH不同含量的發(fā)泡曲線

圖1 不同發(fā)泡劑對發(fā)泡橡膠材料發(fā)泡行為的影響

圖2 含不同發(fā)泡劑橡膠的發(fā)泡曲線與硫化曲線

表4 不同含量AC發(fā)泡劑的硫化曲線

表5 不同含量OBSH發(fā)泡劑的硫化曲線

2.2 不同發(fā)泡劑對發(fā)泡橡膠泡孔結(jié)構(gòu)的影響

圖3是促進劑AC和促進劑OBSH不同含量下的天然橡膠在相同發(fā)泡工藝下得到的發(fā)泡材料的微觀照片，可以看出，發(fā)泡材料的泡孔呈現(xiàn)為變形的圓形或橢圓形，AC發(fā)泡劑的泡孔較大，泡孔直徑隨著AC含量的增加先增大而后逐漸變小，AC含量小于3份時，泡孔直徑較大，大小不均勻，泡壁較薄，泡孔間距小，尤其在AC為3份時，部分泡孔不具備完整的泡壁，存在空洞，泡孔呈鑲嵌狀態(tài)，表明此時所值得的材料以開孔結(jié)構(gòu)為主的發(fā)泡材料。當(dāng)AC含量超過3份時，泡孔直徑呈現(xiàn)變小趨勢，泡壁變化，泡孔間距變大。使用OBSH發(fā)泡劑的發(fā)泡材料，泡孔均為閉合的圓形結(jié)構(gòu)，其泡孔直徑均比AC的小，大小均勻，泡壁適中，泡孔間距較小，這表明所制得的材料為閉孔結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料。綜上所述，含OBSH發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠泡孔較小，比較均勻，泡孔結(jié)構(gòu)較好。這樣都是由于含OBSH的發(fā)泡橡膠發(fā)泡曲線與硫化曲線匹配較好（如圖2）所致。

圖3 發(fā)泡劑AC、OBSH不同含量的微觀照片

3 結(jié)論

（1）與含AC發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠比，含OBSH發(fā)泡劑發(fā)橡膠在發(fā)泡過程中發(fā)泡曲線與硫化曲線匹配較好。

（2）含OBSH的發(fā)泡橡膠泡孔直徑小、泡孔尺寸分部均勻、表面密度小、泡孔密度合適，總的來說，泡孔質(zhì)量好較好，且在含量為3份時較佳。

（3）含OBSH的發(fā)泡橡膠泡孔結(jié)構(gòu)較含AC發(fā)泡劑的發(fā)泡橡膠泡孔結(jié)構(gòu)好。當(dāng)含量為3份時較佳。

[1] 馬遙.天然橡膠發(fā)泡材料的制備和結(jié)構(gòu)性能的研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2007.

[2] 馬遙.天然橡膠發(fā)泡材料的壓縮行為與能量吸收特性[J].合成橡膠工業(yè)，2007,30(6):436～439.

[3] 吳其曄，閆業(yè)海，張振華，等.EPDM 發(fā)泡過程中硫化、發(fā)泡速度匹配問題的探討[J]. 青島化工學(xué)院學(xué)報，2000,6(2):100～104.