氢化丁腈橡胶的硫化行为与性能研究

摘要

氢化丁腈橡胶(HNBR)具有优越的物理机械性能，被广泛应用于汽车工业、航空工业和石油工业。但对HNBR硫化反应原理及动力学的基础研究较少，HNBR的高温力学性能和使用寿命也需要改善提高。本论文首先对HNBR硫化反应动力学进行探讨，建立了硫化过程的硫化反应动力学方程，优化硫化工艺条件，制备性能优异的HNBR复合材料；为进一步提高改善其高温力学性能，在材料配方中引入耐热材料芳纶浆粕(PPTA pulp)，以提高HNBR复合材料高温力学性能；为延长其使用寿命，对HNBR复合材料的耐热氧老化性能进行探讨研究。具体从以下三个部分对本论文进行阐述。
　　1、氢氧化甲基丙烯酸锌(HZMMA)增强HNBR的硫化反应动力学研究。以HZMMA和炭黑并用作为增强剂，过氧化二异丙苯(DCP)为硫化剂，制备氢化丁腈橡胶复合材料。利用非等温差示扫描量热法(DSC)研究了不同升温速率下的硫化反应放热过程，通过模拟n级反应动力学模型，采用Kissinger方程、Crane方程以及特征温度-升温速率外推法计算出该硫化反应的动力学参数、硫化反应温度和时间，并考察了优化的硫化反应条件下复合材料的力学性能。得到该体系硫化反应的反应级数n为0.95，表观活化能为123.59 kJ/mol，优化的硫化反应温度和时间分别为165.62℃、16.94 min，在此优化的硫化条件下制得的HZMMA增强的HNBR复合材料，抗拉强度可达到27.6 MPa，100％定伸强度17.8 MPa，拉断伸长率160%，拉伸永久变形2.5%。
　　2、HNBR/PPTA pulp/HZMMA的高温力学性能研究。芳纶浆粕用炭黑隔离预处理后，与HZMMA、炭黑共同作为增强剂，制备氢化丁腈橡胶复合材料。SEM显示预处理的芳纶浆粕表面包裹着一层炭黑粒子且其在橡胶基质中分散均匀；芳纶浆粕的加入使HNBR复合材料的硬度增加，拉断伸长率降低，拉伸永久变形变大；环境温度升高至70℃以后，复合材料强度、拉断伸长率急剧降低；含5份以上芳纶浆粕的复合材料会提升强度，且在高温下强度下降趋势显著减缓；TG、DSC表明芳纶浆粕含量增加，复合材料玻璃化转变温度Tg、热稳定性先降低后升高。芳纶浆粕的加入使HNBR复合材料弹性降低、刚性增强，份数不宜过多；含5份以上芳纶浆粕能显著提高HNBR复合材料高温下力学强度。
　　3、HNBR复合材料的耐热氧老化性能研究。采用不同饱和度的氢化丁腈橡胶制备复合材料，进行热氧老化，比较其力学性能、交联密度、硬度等随老化时间的变化；对配方中三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)对耐热氧老化性能的影响进行评价分析，使用DSC表征复合材料老化后的玻璃化转变温度的改变。饱和度越高，其耐热氧老化时间越长；随着热氧老化进行，HNBR复合材料会过度交联，交联密度升高，表现出硬度增加、玻璃化转变温度Tg升高，同时强度降低，拉断伸长率降低。复合材料发生脆性转变。HNBR复合材料170℃热氧老化到40 h以后，配方中不含TAIC的复合材料的撕裂强度下降明显减缓且优于含有TAIC的HNBR复合材料。TAIC作为一种不饱和助交联剂，未老化时提高了复合材料强度，但在热氧老化中加剧了老化，加速过度交联，降低使用寿命。饱和度是HNBR复合材料耐热氧老化性能的重要指标，饱和度越高，其耐热氧老化能力越强；TAIC的加入降低了复合材料的饱和度，并降低了其耐热氧老化能力。

目录

论文中使用的符号缩写说明

1 文献综述

1.1 引言

1.2 HNBR的发展概况

1.3 HNBR的制备、结构与性能

1.4 HNBR橡胶的硫化工艺

1.5 HNBR橡胶的改性

1.6 HNBR橡胶的配合剂体系

1.7 橡胶老化现象以及防老化处理

1.8 课题相关的国内外研究现状

1.9 课题的研究方向及内容

2 HZMMA增强HNBR的硫化反应动力学研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.3 本章小结

3 HNBR/PPTA pulp/HZMMA的高温力学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 本章小结

4 HNBR复合材料的耐热氧老化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的获奖情况、发表论文及参与的课题

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