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温度对橡胶材料性能的影响及机理研究

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曾昭宇

摘要：随着科技的快速进步和社会的高速发展，橡胶制品已经渗透到人们生活的各个方面，成为现代生活中不可缺少的一部分，是人类社会生活的物质基础。然而，随着科学技术的快速发展，人们对橡胶制品性能的要求也逐渐多样化和多功能化。

关键词：温度；橡胶；材料；性能

引言

橡胶具有很多独特的性能，如弹性高、形变大，柔韧性、耐磨性等都十分优异，能满足很多苛刻条件的使用要求。众所周知，能在高温下长期使用的橡胶广泛用于各种排气管道、输送带、密封元件和轮胎等。但由于橡胶属于烃类聚合物，在长时间高温的条件下，氧气或臭氧会促进其基体发生化学反应，导致聚合物基体的破坏，从而使其制品的物理机械性能下降，缩短使用寿命。因此研究硫化胶力学性能和动态力学性能随温度的变化规律以及探索温度对硫化橡胶力学性能的影响机理具有重要的科学意义和应用价值。

1橡胶的耐高温性

橡胶的耐高温性是其特殊性能中比较常见的一种性能，它决定橡胶制品的最高使用温度和最长使用时间。橡胶的弹性模量小，一般在1-9.8Mpa。伸长变形大，伸长率可高达100%，仍表现有可恢复的特性，并能在很宽的温度（-50-+150℃）范围内保持有弹性。高分子材料一般都受温度影响，橡胶在低温时处于玻璃态变硬变脆，在高温时则发生软化、熔融、热氧化、热分解以至燃烧等。耐高温性是指橡胶在较高的温度条件下工作时能够长时间地保持正常的物理机械性能的性能，如强度、弹性、硬度和断裂伸长率等。橡胶的耐高温性取决于橡胶内部的分子结构，橡胶制品的力学性能能在高温条件下保持基本稳定的本质原因就是橡胶分子结构没有发生显著变化和损坏，并且保持较好的使用性能。耐高温橡胶是指在80℃以上长时间工作后仍能基本保持原有的力学性能和使用价值的橡胶，常见的耐高温橡胶有FKM、乙丙橡胶、硅橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丙烯酸酯橡胶、氯醚橡胶。

2温度对橡胶材料性能的影响及机理

2.1橡胶分子结构

橡胶分子结构的极性和分子链的刚性影响橡胶的粘流温度，极性和刚性越大，橡胶的粘流温度越高。从橡胶的分子结构来看，影响橡胶耐高温性的因素有以下几点：

（1）主链结构：大多数胶种的主链都是碳链结构（其中-C-C-键能为62.7kcal/mol），而有的杂链橡胶中的主链键能高于碳链的键能，如硅橡胶中的主链-Si-O-键能高达102kcal/mol，因此有的杂链橡胶的耐高温性明显高于碳链橡胶。

（2）不饱和度：聚合后的二烯类单体的每个单元中仍有一个双键。由于双键具有不稳定性而成为分子链中的薄弱环节，如二烯类共聚橡胶（如丁苯橡胶）的双键的数目比均聚橡胶（如NR、顺丁橡胶）少，因而共聚橡胶具有相对较好的耐高温性。而某些合成橡胶的二烯烃单体用量较少，如丁基橡胶和三元乙丙橡胶，因此它们的耐高温性较好。又如氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯和硅橡胶等不含有二烯烃单体的橡胶的耐高温性更好。总之，主链的不饱和度越低，橡胶的耐高温性越好。

（3）侧基：橡胶分子主链上的侧基对其耐高温性也有一定程度的影响。侧基对主链会起到屏蔽的作用，特别是强极性取代基。所以含卤橡胶在一定程度都具有耐高温性，例如FKM，这是因为：氟原子在卤族中电负性最强；FKM的侧基中有较多的氟原子，形成了强大的耐高温屏障。所有耐高温橡胶的共性是它们具有較高的主链键能和不易起反应的化学结构。通常键能越高的橡胶耐高温性好。橡胶中弱键越少热稳定性越高。例如，用无机元素取代主链中的碳原子（如硅橡胶），用氟原子取代脂族烃中的氢原子（如FKM），都会获得良好的耐高温性

2.2硫化体系

交联是指橡胶大分子之间的横向连结的过程，经过交联形成的三维网状结构是橡胶获得良好的耐高温性等一系列优异性能所不可缺少的。对大部分的通用橡胶来说，交联是通过建立硫桥来完成的，因此称为硫化。采用不同的硫化体系的硫化胶的交联键类型不同，不同交联键的键能不同，因而所得硫化胶的耐高温性也不同。交联键的键能越大硫化胶的耐高温性越好。不同交联键的热稳定性按下列顺序排列：-C-C--C-S-C--C-Sx-C-。在常用的硫化体系中，过氧化物硫化体系硫化的橡胶的耐高温性最优。

2.3补强填充体系

一般来说，无机填料的耐高温性优于炭黑。有助于提高橡胶耐高温性的无机填料有白炭黑、氧化镁、活性氧化锌、硅酸盐和氧化铝。例如，白炭黑、氧化镁和氧化铝对丁腈橡胶的耐高温性都有一定的作用。不同类型的填料对过氧化物硫化橡胶的耐高温性也有一定的影响。如果填充剂在橡胶脱氢之前产生出质子，会导致过氧化物自由基饱和，从而妨碍硫化。带有酸性基团的过氧化物对酸性填料不敏感，而不带有酸性基团的过氧化物对酸性填料有强烈的影响，会妨碍硫化反应的进行。碱性填料对带有酸性基团的过氧化物影响很大，会使过氧化物分解。炉法炭黑对过氧化二异丙苯基本没有影响，而槽法炭黑