氟橡胶助剂概述

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)锦西化工研究院 作者:张亨

  氟橡胶是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的一种合成高分子弹性体。这种橡胶具有耐高温、耐寒、耐油、耐老化、耐候、耐臭氧、耐中等剂量辐射、耐多种化学药品侵蚀、耐过热水与蒸汽、耐燃性、气透性能较低、耐高真空性能、压缩永久变形性能、较高的拉伸强度和硬度等特性,是现代航空、导弹、火箭、宇宙航行等类端科学技术及其他工业方面不可缺少的材料。

  氟橡胶一般由生胶、硫化体系、酸接受剂、补强体系组成各种实用配方,增塑剂和防焦剂仅在个别情况下采用。

1、硫化体系

  氟橡胶是高度饱和的含氟高聚物,一般不能用硫黄进行硫化。采用有机过氧化物、有机胺类及其衍生物、二羟基化合物及辐射硫化。工业常用前三种方法,辐射硫化较少选用。

  1.1、有机过氧化物体系

  有机过氧化物分解出来的游离基可引发氟碳化合物发生交联聚合。20世纪70年代,美国DuPont公司研发的G型系列氟橡胶,采用有机过氧化物作硫化体系,硫化胶在高温下的压缩永久变形性能及在高温蒸汽中的性能特别优越。2,5-二甲基-2,5-双(叔丁过氧基)己炔-3及其相似物2,5-二甲基-2,5-双(叔丁过氧基)己烷分别与三异氰尿酸三烯丙酯(TAIC)共硫化耐焦烧性极好。过氧化苯甲酰特别适用于薄型制品,在厚制品的场合易发泡形成多孔质,且不能配用炭黑,因干扰交联。过氧化二异丙苯在四丙氟橡胶中与TAIC并用,耐多种化学药品侵蚀。双(叔丁基过氧)间或对二异丙基苯硫化四丙氟橡胶耐化学药品性也很好。过氧化双环戊二烯硫化羧基亚硝基氟橡胶效果较好。六亚甲基-N,N'-双(叔丁基过氧化碳酸酯)可直接用于VitonGF。氟硅橡胶的压出、压延成型常压热空气硫化选用2,4-二氯过氧化苯甲酰。

  1.2、单胺、二胺及其衍生物体系

  单胺、二胺及其衍生物体系是继过氧化苯甲酰后最早用于Viton型氟橡胶的硫化剂,以亲核离子加成反应机理形成硫化胶,其C-N键具有较好的稳定性。对于双组分型氟橡胶密封剂(腻子),采用一元胺或多元胺作室温硫化剂,最常用的是六亚甲基二胺或三亚乙基四胺,使用三亚乙基四胺效果更好,硫化速度快,但在普通氟橡胶不能单用。对于单组分氟橡胶密封剂,采用酮胺类室温硫化剂。己二胺氨基甲酸盐硫化氟橡胶压缩永久变形大,一般用于胶布制品。N,N'-双水杨叉1,2-丙二胺单用情况较少,用量过大引起氟橡胶热老化性能下降。N,N'-双肉桂叉-1,6-己二胺适用范围广,为氟橡胶常用硫化剂,压缩永久变形中等,模压制品外观好。N,N'-双呋喃甲叉-1,6-己二胺与N,N'-双肉桂叉-1,-己二胺性能相同,但硫化速度较慢。双(4-氨基环己基)甲烷氨基甲酸盐用于246型氟橡胶中,国内未获应用。对苯二胺硫化氟橡胶可制得低压缩永久变形胶料,单用时定型硫化温度高,时间长,二段制品起泡,与三亚乙基四胺并用可得快速制品胶料。乙二胺氨基甲酸盐用于高黏度氟橡胶的加工。

  1.3、二元酚和促进剂并用体系

  20世纪60年代初期,美国对以二元酚作Viton型氟橡胶的硫化剂开展研究。起初,选定对苯二酚和2-十二烷基-1,1,3,3-四甲基胍的硫化体系,混炼胶的焦烧性和硫化胶的高温压缩永久变形都有较明显的改进。以后,双酚AF和季胺盐(或季磷盐)促进剂的硫化系,与活性氧化镁和氢氧化钙并用,组成了氟橡胶的低压缩永久变形的硫化体系。双酚A硫化氟橡胶可得低压缩永久变形胶料,硫化速度较双酚AF为迟。双酚A二钾盐适宜作压出制品硫化剂,压出的半成品表面光滑,缩性小,可用直接蒸汽硫化,但硫化胶耐热性较差。

2、酸接受剂

  酸接受剂亦称吸酸剂或缚酸剂,是能有效地中和氟橡胶硫化过程中析出氟化氢的一类物质。酸接受剂还能提高氟橡胶交联密度,并赋予硫化胶较好的热稳定性,又被称作活化剂或热稳定剂。酸接受剂主要是金属氧化物及某些盐类,碱性越强所得硫化胶的交联密度愈高,表现为拉伸强度较高、伸长率和压缩永久变形较小;同时碱性越强,加工安全性愈差(易焦烧)。

  常用酸接受剂为氧化镁和氧化锌。应用氧化锌时,往往和二碱式亚磷酸铅等量并用于耐水性胶料。氧化镁用于高耐热、无耐酸要求胶料。氧化铅常用于耐酸胶料。氧化钙或氧化钙与氧化镁并用作低压缩变形胶料酸接受剂。氢氧化钙和活性氧化镁并用,在VitonE-60c中是主要吸酸剂,用于双酚AF与苄基三苯基氯化磷硫化系统胶料制得低压缩永久变形的硫化胶。

3、补强体系

  氟橡胶属于自补强型橡胶,本身强度高,补强填充剂主要用于改进工艺性能,降低成本和提高制品的硬度、耐热性和压缩永久变形性等。氟橡胶常用的补强填充剂主要有炭黑、浅色填料和新型填料。

  3.1、炭黑

  中粒子热裂法炭黑、快压出炉黑、高耐磨炉黑和喷雾炭黑对胺类硫化剂有促进作用,使胶料混炼、压出和模压的性能较好,用量少于30份;否则对胶料硬度、耐高低温和压缩永久变形性能带来不利影响。Austriw炭黑(以沥青为原料制成),可改进胶料工艺性能与压缩永久变形性能。

  3.2、浅色填料

  在用硫化剂过氧化苯甲酰的23型氟橡胶耐酸性胶料中,使用15份左右的沉淀法白炭黑。羧基亚硝基氟橡胶常用高补强白炭黑和硅油处理的白炭黑。氟化钙是氟橡胶中最常用的无机浅色填料,用量一般为20~35份,它的耐高温(300℃)老化性能优于炭黑和其他填料,但工艺性能较喷雾炭黑差,两者并用可制得缩合性能好的胶料。碳酸钙和硫酸钡在氟橡胶中也可使用,前者的绝缘性好,后者可获得较低的压缩永久变形,用量一般为20~40份。在氟橡胶中加入5~80份陶土、二氧化钛、石墨、滑石粉、云母粉可降低硫化胶的收缩率。含石墨的硫化胶收缩率仅为1.9%,空白试样为3.8%。滑石粉会使脱模变得困难,引起粘模倾向。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)调研后发现陶土、二氧化钛、三氧化二铁会降低对酸的抗耐性。

  3.3、新型填料

  碳纤维和硅酸镁纤维(针状滑石粉)是用于氟橡胶的新型填料,均能提高氟橡胶的高温强度和耐热老化性能,但在工艺性能方面较中粒子热裂法炭黑稍差。应用硅酸镁纤维或碳纤维和喷雾炭黑并用,可获得较好的效果。

  补强效果最好的碳纤维是在惰性气体保护或减压条件下,由人造丝经1100℃高温炭化而得到的产品。商品牌号如CarbonWool3BI(美国)、а型和б型(前苏联)碳纤维。填充碳纤维的另一重要作用是提高硫化胶的导热性,使氟橡胶密封制品与金属接触处的摩擦生热及时导出,从而降低接触处的温度,为以氟橡胶制造高速(线速20~30m/s或转速15000~20000r/min)油封提供了可能性。

4、增塑剂

  氟橡胶配方中一般很少使用增塑剂。增塑剂会使硫化胶的耐热性和化学稳定性变差,在二段高温硫化时往往挥发逸出,造成制品失重大、收缩变形或起泡。为改善工艺性能,采取并用少量低分子量氟橡胶的办法。如分子量20万的26型氟橡胶中,加入10~20份分子量10万的26型氟橡胶,得到混炼和模压性能好的胶料,对硫化胶的耐热性无明显的影响。对收缩要求不严的氟橡胶产品,可用癸二酸二辛酯、磷酸三辛酯及高沸点聚酯等增塑剂。用量较少(5份)时,对硫化胶性能影响不大。23型氟橡胶可选用邻苯二甲酸二丁酯、氟蜡(低分子量聚三氟氯乙烯)和聚异丁烯等作增塑剂(用量3~5份),其中以氟蜡(价格较贵)为最好。选用低分子量聚乙烯(1~3份),可为氟橡胶的压延、压出提供良好的工艺性,因用量少,不会影响原有胶料的物理机械性能。羧基亚硝基氟橡胶常用含氟全醚和卤代烃油作增塑剂。低粘度的羟基硅油和二甲基硅氧烷可软化增塑氟硅橡胶。

5、防焦剂

  现代橡胶工业的高温高速机械加工工艺和快速硫化体系,焦烧和提高生产效率的矛盾愈发尖锐,防止焦烧就需借助于防焦剂。防焦剂亦称硫化延缓剂,通常用量0.5~1份,甚至更低(0.1份左右)。可供选用的氟橡胶防焦剂有苯甲酸、邻苯二甲酸酐、水杨酸、乙酰水杨酸、乙酸钠、三氯蜜胺、N-环己基硫代邻苯二甲酰亚胺(CTP)、N-三氯甲基硫代-N-苯基苯磺酰胺、六异丙基硫代三聚氰胺、N-(吗啉基硫代)邻苯二甲酰亚胺等。CTP具有良好的防焦效果,一般用量0.1~0.3份,对有轻微焦烧的胶料有复原作用。N-三氯甲基硫代-N-苯基苯磺酰胺防焦效果不及CTP,但价格低廉。六异丙基硫代三聚氰胺的防焦效果极强,据称为CTP的3~6倍。N-(吗啉基硫代)邻苯二甲酰亚胺能延长焦烧时间,提高加工安全性。

6、溶剂及其他

  用氟橡胶制造纯胶薄膜、胶布制品(燃料箱垫片、防护衣等)、布类胶管及胶粘剂时均要使用胶浆。制造氟橡胶胶浆一般是将混炼胶溶解于有机溶剂中(VitonLD242采用胶乳)。低分子酮类和酯类是优良的溶剂,包括丙酮、甲乙酮、甲基异丁酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯及二甲基甲酰胺等。常用的是甲乙酮和乙酸乙酯。胶浆粘度采用混合溶剂(主溶剂为优良溶剂,副溶剂为不良溶剂或非溶剂)和加入稀释剂(低分子脂肪烃、芳香烃和醇类等)的方法来进行调节。

  氟橡胶脱模时,为消除黏模,可采用少量硬脂酸锌、硬脂酸钠、加珞巴蜡、肥皂水或硅油的二甲苯溶液(5%~10%)作脱模剂。使用硅油时,用量要尽可能少,涂硅油后还需用绸布揩擦,否则会影响表面质量和耐热性。

7、结束语

  氟橡胶品种多,制品性能优异。经过几十年的改进,新型氟橡胶品种和配合助剂不断出现,改善了其工艺性和其他的不足,在军用、民用工业领域中得到日益增多的应用。

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