EPDM發(fā)泡材料的制備及結構與性能研究

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1、上海交通大學博士學位論文EPDM發(fā)泡材料的制備及結構與性能研究姓名：王必勤申請學位級別：博士專業(yè)：材料學指導教師：彭宗林;張隱西20061101上海交通大學博士學位論文混煉膠的硫化和發(fā)泡特征的變化趨勢基本相似，但兩者對發(fā)泡材料結構的影響呈現較大差別，表明硫化和發(fā)泡速率的匹配問題不是實現成功發(fā)泡的充分條件。為了解決發(fā)泡劑利用率低的難題，首次提出一種新的發(fā)泡加工工藝：先將混煉膠在哈克中動態(tài)預硫化，通過控制硫黃用量來控制橡膠的預交聯程度，經預硫化的橡膠再混入發(fā)泡劑和硫化劑，然后在熱空氣中發(fā)泡。考察橡膠預硫化過程，預硫化橡膠的流變特性，及其對

2、發(fā)泡的影響，研究結果表明，混煉膠在HAAKE中動態(tài)預硫化，隨著硫黃用量的增加，其平衡扭矩升高，凝膠含量增加，表觀粘度、儲能模量和損耗模量則呈線性上升。隨頻率增加，預硫化混煉膠儲能模量和損耗模量上升，而表觀粘度下降，EPDM混煉膠是一種假塑性流體，具有剪切變稀行為。硫化儀測試結果表明，EPDM混煉膠經動態(tài)預硫化后，并未影響其再次硫化速度?？疾觳煌A硫化程度的混煉膠在190。C下發(fā)泡，結果表明，隨預硫化程度增加，較大的泡孔直徑逐漸減小，而小氣泡的尺寸基本沒有變化，發(fā)泡材料的密度先下降后上升。考察發(fā)泡劑用量對適宜預硫化程度的混煉膠發(fā)泡能力的

3、影響，結果表明隨發(fā)泡劑用量增加，發(fā)泡材料的密度先緩慢降低，隨后急劇下降，最后又緩慢降低。隨發(fā)泡材料的密度降低，其壓縮模量、邵爾C硬度降低，而壓縮永久變形增加。在相同應力作用下，隨發(fā)泡材料密度增加，其應力松弛速度明顯加快，且應力松弛程度提高。將動態(tài)硫化技術應用于難發(fā)泡的EP4703混煉膠的油變量體系，實驗結果表明能顯著提高混煉橡膠的可發(fā)性，進一步驗證動態(tài)硫化技術的普適性。采用振蕩圓盤式硫化儀研究了發(fā)泡劑AC等溫分解和EPDM等溫硫化特性。結果表明，AC分解和橡膠硫化反應并不遵循聆次反應速率方程，而是遵循自催化反應動力學模型，在不同溫度下

4、，其反應級數并不相同，AC的分解活化能比橡膠硫化的活化能高，表明隨著溫度的升高，發(fā)泡劑AC的分解速度要比橡膠的硫化速度上升的更加迅速。由于表面張力作用，氣泡內的氣體通過泡壁相互擴散，形成了較大的氣泡鑲嵌在眾多的小氣泡中的多層次性的泡孔結構。在橡膠配方基本相同的條件下，用兩種加工工藝，制備出不同結構的發(fā)泡材料。對于相對密度較低的發(fā)泡材料，其壓縮應力應變曲線在較低的應變下為線彈性，接著出現較寬的泡孔塌陷平臺，最后為密實化區(qū)域，是典型的彈性體發(fā)泡材料的壓縮應力應變曲線。而對于相對密度高的發(fā)泡材料，其壓縮曲線僅顯示兩個區(qū)，相對較長的線彈性區(qū)和

5、應力徒然上升的密實化區(qū)域，表現出與密實的固態(tài)基材相似的力學性能。隨發(fā)泡材料相對密度的增加，發(fā)泡材料的相對模量也隨著增加，在低相對密度時，Gibson．Ashby模型能預測發(fā)泡材料的壓縮模量。隨相對密度的升高，氣體在壓縮過程產生的應力對材料受到的總應力的貢獻降低。密實化應變與材料的相對密一II—上海交通大學博士學位論文度有關，顯示不同密度的發(fā)泡材料具有不同的壓縮變形機制。在較低的允許應力下，相對密度較低的發(fā)泡材料其較高的吸收能量的能力源于發(fā)泡材料本身較大的變形。在較高的允許應力下，較高相對密度的發(fā)泡材料具有較高的能量吸收能力主要是因為發(fā)

6、泡材料具有較高的模量以及在大應力作用下較高的變形性。能量吸收的效益曲線、理想參數以及能量吸收圖提供了判斷和優(yōu)選合適材料的方法。通過并聯Maxwell模型模擬了不同相對密度發(fā)泡材料的應力松弛行為，擬合出來的比例系數與實測材料的相對密度基本吻合，其平衡應力隨著發(fā)泡材料的相對密度的下降而上升，橡膠材料的應力松弛時間明顯呈現多分散性，不同相對密度下EPDM橡膠基材的應力松弛時間和表觀松弛強度差別較小。而氣體通過橡膠基材的擴散松弛時間明顯較長。本論文的主要創(chuàng)新之處：(1)將動態(tài)預硫化技術應用于橡膠發(fā)泡過程，提出了一種發(fā)泡加工的新工藝，即混煉膠在

7、哈克中先動態(tài)預硫化，通過控制硫黃用量來控制橡膠預交聯程度，預硫化混煉膠再混入發(fā)泡劑和硫化劑體系，然后在熱空氣中硫化并發(fā)泡，該工藝不突出強調橡膠硫化和發(fā)泡劑分解速率的嚴格匹配，采用常用原材料、簡單配方，容易控制的工藝條件，制備出外觀良好、結構可調的發(fā)泡材料。具有容易控制、生產周期短、節(jié)省發(fā)泡劑用量等特點。(2)橡膠基體材料是構成和影響發(fā)泡材料力學性能最關鍵的因素，基體材料的力學性能提高必然導致發(fā)泡材料的力學性能的上升。采用高耐磨炭黑N330作為EPDM的補強填料，系統的研究了促進劑種類，加工溫度，發(fā)泡劑用量，炭黑及油的用量對發(fā)泡行為的影

8、響，制備出表面光滑、平整的橡膠發(fā)泡材料。(3)研究了發(fā)泡材料的應力．應變和應力松弛行為，特別是依據發(fā)泡材料的應力松弛特點，提出發(fā)泡材料的應力松弛模型來研究發(fā)泡材料的應力松弛行為。關鍵詞：三元乙丙橡膠，發(fā)泡劑，高耐磨炭黑，