通用丁腈橡胶包括热聚丁腈橡胶、冷聚丁腈橡胶及软丁腈橡胶。热聚丁腈橡胶是丁腈橡胶生产的最早方法,具有较高的物理机械性能。但其加工性能比较差。生胶的德弗可塑度一般在1500~3000之间。热聚丁腈橡胶可塑性获得较难,吃粉也较慢。
冷聚丁腈橡胶的加工性能比热聚的要好,加工动力消耗要低,吃粉较快;压出、压延胶片光滑,而且尺寸较稳定;在溶液中其溶解性能也比较好。实际上冷聚丁腈橡胶的门尼黏度也并不低。冷聚丁腈橡胶的物理性能和热聚的相当或稍优。软丁腈橡胶的可塑度在100左右,可以不用机械塑炼,加工性能大为改善。其缺点是物理机械性能稍差。
⑴物理机械性能:丁腈橡胶是无规结构的丁腈共聚物,在拉伸状态下不会结晶,因此纯丁腈橡胶硫化胶的物理机械性能与丁苯橡胶一样,远远低于天然橡胶。经过补强(即加入补强填料,如炭黑、酚醛树脂)的丁腈硫化胶,其拉伸强度可以达到天然橡胶的水平,一般可在24.50MPa以上。有关丁腈橡胶的物理机械性能与其化学组成的关系示如图2-2所示。
由图2-2可以看出,随着ACN含量的增大,丁腈橡胶极性增大,大分子链的柔性下降,分子间作用力增大,大分子链上双键减少,不饱和度下降,所以带来了一系列性能的变化。
表2-12说明了丙烯腈含量对丁腈橡胶性能的影响。图2-3进一步表明了丙烯腈含量的变化对硬度、弹性、压缩永久变形和脆性温度的影响程度。
由图2-3看出,ACN含量在35%~40%时对压缩永久变形性、75℃下的弹性、硬度都是一个临界点。如果耐油性满足要求,应尽量使用ACN含量低于40%的品种。
丁腈橡胶的弹性不如天然橡胶和丁苯橡胶。丁腈橡胶的弹性与温度有着密切的关系,温度升高,弹性增加,增加的倾向大于天然橡胶。因此,丁腈橡胶对于制造耐油性较高的减震制品是很适用的。丁腈橡胶的弹性随结合丙烯腈的变化而改变的性况由表2-13可以看出。
此外,门尼黏度高的丁腈橡胶有较高的弹性。
丁腈橡胶的耐撕裂性能不如天然橡胶。不过随着温度的升高,丁腈橡胶的耐撕裂强度下降速率却小于天然橡胶,而且高温耐撕裂性质相当好。
丁腈橡胶的定伸应力和硬度可在很宽范围内改变,它们对结合丙烯腈含量的依赖性较小。而定伸强度受聚合度的影响较大,高聚合度的丁腈胶有高的交联密度,因而有较高的定伸应力。
丁腈橡胶的低温性能与结合丙烯腈含量的关系极大。
表2-14列出了结合不同丙烯腈含量的增塑的丁腈硫化胶的低温性能。随着结合丙烯腈含量的减少,丁腈橡胶的低温屈挠性能得到改善。
含有补强填料的丁腈硫化胶的磨耗性能优于天然橡胶,而且磨耗性的改善随着活性填料的增加而增加。丁腈橡胶的磨耗量比天然橡胶低20%~30%,丁腈橡胶的磨耗性能也优于丁苯橡胶。提高丙烯腈含量,耐磨性能有所改善。
⑵耐油性和耐溶剂性:在普通橡胶中,丁腈橡胶的耐油性最好;丁腈橡胶耐石油基油类、苯等非极性溶剂的能力远优于天然橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶等非极性橡胶,也优于极性的氯了橡胶。但丁腈橡胶的耐极性油和极性溶剂的能力却不好,如耐乙醇能力就不如非极性橡胶。
据美国汽车工程师学会(SAE)对橡胶材料的分类,将各种橡胶按耐油性和耐热性分为不同的等级,如图2-4所示,图上横坐标表示浸ASTMNo.3油的膨胀率,分为A、B…K各等级,等级越高越耐油。纵坐标表示耐热等级,从A到K,等级越高越耐热,丁腈橡胶耐热性不高,仅达B级,但耐油性高,达到了J级。
这是因为丁腈橡胶极性大,与非极性油类不互溶,也不发生化学反应。
几种弹性体的耐油性及使用温度下限如图2-5所示。由图可见,丁腈橡胶具有较好的耐油性,使用下限温度比氟橡胶及均聚氯醇橡胶好。另外,丁腈橡胶本身的ACN含量增大则耐油性明显提高,如图2-6所示。
所以在要求耐油性高的场合,应选用高ACN的丁腈橡胶。
由于石油基油品由天然原料炼制,其油品的组分受原油的产地和炼制方法影响,所以同样是10#机油,不同产地的其组分就可能不同。组分变化自然影响到极性,对橡胶的作用也会因此而不同。为了统一标准,ASTM制定了五种标准油,其中两种是燃油,用苯胺点控制其极性。苯胺点的含义是等体积的油与苯胺互溶的最低温度。若某油品的苯胺点低,说明在较低的温度下即可以互溶,该油的极性较高;反之,油的极性则小。
⑶耐老化性能:不加防老剂的丁腈橡胶的耐老化性能很差,而加有防老剂的丁腈硫化胶的老化性能和耐热性能要优于天然橡胶。丁腈橡胶和天然橡胶的耐氧试验结果如图2-7所示。
由图可见,天然橡胶在经热氧老化后拉伸强度有大幅度下降,而丁腈橡胶实际上降低很小。
丁腈橡胶的耐热性能与其耐老化性能一样,在100℃下老化l0000h,其伸长率仍可大于100%。丁腈橡胶制品可在130℃下短期使用,在绝氧情况下(如在油中)使用温度可以再高些。因此,丁腈橡胶的耐热性比天然橡胶、丁苯橡胶都好,甚至超过氯丁橡胶。丁腈橡胶的耐候性和耐臭氧性能与天然橡胶处于一个等级,但略低于天然橡胶。在丁腈橡胶中加入聚氯乙烯能够提高它的耐候性和耐臭氧能力。
丁腈橡胶在核辐射下也会受到破坏,使硬度增加,伸长率下降。但丁腈橡胶受辐照的影响小于其他合成橡胶,结合丙烯腈含量在33%~38%的丁腈橡胶具有良好的耐辐照性能。高丙烯腈含量的丁腈橡胶经过核辐照后拉伸强度可增加140%,因为低丙烯腈含量的丁腈橡胶在辐照作用下会发生降解,而高丙烯腈含量的丁腈橡胶在核辐照下会进行交联反应。
⑷低温性能:在通用橡胶中丁腈橡胶的低温性能较差。其低温性能和丙烯腈的含量有关,丙烯腈含量增加,玻璃化温度提高。丁腈橡胶经过适当的配合后,可降低玻璃化温度,从而改善低温性能。
⑸耐热性能:丁腈橡胶的耐热性比天然橡胶、丁苯橡胶要优。选择适宜的配方,丁腈橡胶制品可在120℃连续使用;在热油中能耐到150℃;在191℃的油中浸泡70h仍有屈挠性能。
⑹耐臭氧性能:丁腈橡胶的耐臭氧性能不好,一般均加耐臭氧剂使之改善,但制品在使用中接触油类易将耐臭氧剂抽出,而失去耐臭氧作用。与聚氯乙烯并用效果显著。
⑺耐水性能:丁腈橡胶的耐水性比较好,丙烯腈的含量越高耐水性越佳。
⑻电绝缘性能:丁腈橡胶因有极性,故电绝缘性能不好,属于半导体橡胶,不宜用作绝缘材料。
⑼透气性能:丁腈橡胶的气密性优于天然橡胶和丁苯橡胶,但不及聚硫橡胶,约与丁基橡胶相当。各种橡胶的气密性能示于表2-18所示。
丁腈橡胶的气密性能随着结合丙烯腈的增加而显著改善。经实验证明,当ACN含量为39%时,其气密性与丁基橡胶相当。
综上所述,丙烯腈含量对丁腈橡胶性能的影响较大。通用丁腈橡胶丙烯腈含量在15%~50%之间,若丙烯腈含量增加到60%以上,则变硬,与皮革类似而不再具有橡胶的性能。丙烯腈含量对丁腈橡胶性能的影响见表2-19所示。