氟橡胶耐高温酸碱性能的研究

金丽军;方庆红;张强;刘晓晨

【摘 要】研究氟橡胶（FKM）的耐高温酸碱性能.对氟橡胶标准试样的力学性能、老化性能、耐酸碱腐蚀性能进行分析,结果表明：FKM胶片分别在100℃、质量分数为40%氢氧化钠溶液及100℃、质量分数为20%盐酸溶液中浸泡24 h,标准试样力学性能均有下降,但胶片能够达到高温耐腐蚀.进一步研究得出：BaSO4 10份、不添加硅藻土时,橡胶的耐碱性能最好,其拉伸强度达13.33MPa;BaSO4 10份、硅藻土5份时,橡胶的耐酸性能相对较好.%The high-temperature acid-base resistance of fluoroelastomer（FKM） was studied in this paper.Base on the researching of the mechanical properties,ageing

properties,thermalstability and acid-base resistance properties of FKM,the results showed that the mechanical properties of composites were decreased when the sheets were soaked in 40 % caustic soda solution in 24 h at 100 ℃ and in 20 % hydrochloric acid solution at

200 ℃,respectively.Further researches indicated that the excellent alkali resistance properties of composites were obtained that the tensile strength reached to 13.33 MPa when the dosage of BaSO4 was 10 phr without Diatomite WM25.The composites were of excellent acid resistance properties when the dosage of BaSO4 was 10 phr and the dosage of Diatomite WM25 was 5 phr. 【期刊名称】《沈阳化工大学学报》 【年(卷),期】2012(026)001

【总页数】4页(P63-66)

【关键词】氟橡胶;耐高温酸碱;力学性能 【作 者】金丽军;方庆红;张强;刘晓晨

【作者单位】沈阳化工大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110142;沈阳化工大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110142;沈阳化工大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110142;沈阳化工大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110142 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ336

烟气脱硫非金属补偿器运行过程处于很强的腐蚀环境中，工业烟气中含有SO2、SO3、NOX、HCl、HF等气体，由于烟气中含有水，因此，可在瞬间形成H2SO4、HCl、HF等强腐蚀性溶液.与此同时，含有烟尘的烟气高速穿过设备和管道，对装置的腐蚀相当严重.并且，入口烟气温度高达150℃，而内腔长期处于45～70℃酸、碱交替的湿热环境之中.可见，湿法除尘脱硫系统在运行中处于强腐蚀性介质、湿热和高磨损的严酷环境中.由于环境恶劣，非金属补偿器所用材料必须能承受化学、高温、高湿和机械的长期负荷，其性能有着特殊的要求.目前，我国耐高温酸碱材料的应用有待深入开发，其应用前景广阔.

橡胶具有优良的化学稳定性，研究表明:氟橡胶、丁基橡胶、溴化丁基橡胶和氯化丁基橡胶具有相对较低的渗透系数和更高的化学稳定性，能阻止水蒸气、氧气和二氧化硫等的扩散，并且耐磨损，可用于非金属补偿器.但其中仅氟橡胶能耐高温环境，目前得以广泛应用.氟橡胶是指主链或侧链的碳原子上连接有氟原子的一种合成高分子弹性体.这种高分子材料具有耐热、耐油、耐溶剂、耐腐蚀、耐强氧化剂

等特性，并具有良好的物理机械性能，长期以来被人们用于防腐场合［1－3］.本文选用氟橡胶作为基体研究新型耐酸碱橡胶材料，针对氟橡胶标准试样的力学性能、老化性能、耐酸碱腐蚀性能进行分析，研究氟橡胶的耐高温酸碱性能. 1 实验部分 1.1 实验原料

氟橡胶2463(FKM-2463)、双酚AF、BPP，中昊晨光化工研究院产品;氧化镁(高活性MgO150)，日本协和;炭黑 N990，加拿大 Cancarb;硅藻土(WM25)，EP Minerals、LLC;BaSO4，天津市科密欧化学试剂开发中心;HCl、NaOH，沈阳市新西试剂厂. 1.2 实验配方

氟橡胶100份，双酚 AF 1.5份，BPP 0.6份，炭黑20份，活性氧化镁3.0份，氢氧化钙6.0份，硅藻土，硫酸钡.其中硅藻土和硫酸钡为变量(质量份). 1.3 实验仪器

炼胶机Φ160 XK-160，青岛环球机械股份有限公司;橡胶硫化测定仪GT-M2000-A，高铁科技股份有限公司;平板硫化机XL-QD，青岛环球集团股份有限公司;微机控制电子拉伸实验机H10KS，深圳瑞格尔仪器检测有限公司;老化试验箱GT-7017-M，高铁检测仪器有限公司;反应釜，长春市京奥通用设备有限公司;综合热分析仪STA 449C，德国耐驰仪器制造有限公司;邵尔橡塑硬度计XHS，营口市材料实验机厂. 1.4 试样制备

先将氟橡胶在开炼机上塑炼，大约薄通10次以上，依次加入吸酸剂混炼一段时间后，再逐步加入硅藻土、硫酸钡和炭黑进行混炼，最后加入硫化剂混炼均匀后出片. 一段硫化:将混炼胶在橡胶硫化测定仪上测得t90的时间，硫化温度为170℃，硫化压力为40 MPa.然后将其放在平板硫化机上按正硫化时间t90、硫化压力为13

MPa进行硫化，并根据性能测试要求将其制成片状试样. 二段硫化:采用热空气硫化法.

条件:250℃，12 h.将初步硫化成型后的胶片放入烘箱中，采用逐步升温法进行升温.具体如下:将温度升至100℃，待温度稳定后恒温1 h;继续升温至200℃，温度稳定后再恒温1 h;升温至250℃，温度稳定后恒温1 h，开始计时. 1.5 性能测试

拉伸强度、断裂伸长率均按GB/T528－1998测试，拉伸速度为500 mm·min－1;邵尔A硬度按GB/T531－1999测试;热空气老化按GB/T3512－2001测试，测试条件为280℃、72 h;硫化橡胶的耐液体实验按GB/T1690－92进行测试. 2 结果与讨论

2.1 硅藻土含量对氟橡胶物理性能的影响

由图1(a)、(b)、(c)可以看出:老化前随着硅藻土份数的增加胶料的力学性能先增大后减小，当硅藻土份数为5份时，橡胶试样的补强效果最好，材料的拉伸强度达15.41 MPa(如图1(a)中的a线).这是因为虽然硅藻土的比表面积大，但是硅藻土和氧化镁都易结团，降低了其比表面积，在氟橡胶中易形成缺陷点，硫化胶的弹性降低，所以，氟橡胶的力学性能降低.

当BaSO4为10份、硅藻土5份时，胶料的耐热性能最好，老化72 h后其胶料拉伸强度达8.02 MPa.氟橡胶在老化过程中，分子链断裂，交联密度下降，模量下降;同时，填料在老化过程中表面活性降低，与氟橡胶分子链间的作用力降低，从而导致拉伸强度下降的趋势.虽然硅藻土的比表面积大，但其与氟橡胶的亲和力较差，在胶料中的分布不太均匀，某些地方还出现团聚现象，所以产生应力集中点多，相应的硫化胶拉伸强度较低.

在100℃、40%的氢氧化钠碱溶液中浸泡24 h时，BaSO4为10份、硅藻土为0份的胶片拉伸性能降低的比例最小，浸泡后的拉伸强度为13.33 MPa(如图1(a)中

的a和e线).并随着填加硅藻土的量的增加拉伸强度降低，反之增加.从图1(b)、(c)可以看出:试样的断裂伸长率和硬度都随着硅藻土从5份到20份变化时逐步增加，但填充硅藻土的试样的断裂伸长率低于没有硅藻土填充的试样，而填充硅藻土试样的硬度都大于未填充的.这是因为硅藻土内部结构为SiO2粒子而略显酸性，当其在碱中浸泡时，填充在橡胶中的硅藻土被碱中和使胶片内部留下空隙，从而降低了胶片的拉伸强度.而随着硅藻土无极粒子的增加，硬度也呈增加的趋势. 图1 不同硅藻土含量的氟橡胶老化前、后及耐

Fig.1 The tensile strength(a)、elongation at break(b)、hardness(c)of the rubber filling the diatomite溶液后的拉伸强度、断裂伸长率、硬度 2.2 BaSO4变量对氟橡胶物理性能的影响

由图2(a)、(b)、(c)可以看出:老化前，当硅藻土为10份、BaSO4为5份时橡胶试样的补强效果最好，材料的拉伸强度达16.2 MPa(如图2(a)中的a线).BaSO4具有化学惰性强、稳定性好、耐酸碱、硬度适中等优点，将其加入氟橡胶中，可以改善氟橡胶的压缩永久变形、耐高温和耐老化性能.

当硅藻土为10份、BaSO4为20份时，胶料的耐热性能最好，老化72 h后其胶料拉伸强度达7.72 MPa.通过氟原子的结构看，其原子半径小，电负性高.它能够紧密地排列在碳原子的周围，它有可能全部或大部分取代碳氢化合物的氢原子形成全氟烃.同时由于碳氟键(C—F)对碳碳键(C—C)产生很好的屏蔽作用，从而保证了碳碳键具有很高的热稳定性和化学惰性.碳氟键的键能很高(435～585 kJ/mol)，这也是构成含氟高聚物高度稳定性的因素.

由图2(a)中的a线与e线可以看出:在100℃、质量分数为40%的氢氧化钠碱溶液中浸泡24 h时，硅藻土为10份、BaSO4为10份时的胶片拉伸性能降低的比例最小，浸泡后的拉伸强度为12.03 MPa.并由图2(b)、(c)中可以看出:被质量分数为40%的NaOH溶液浸泡后的试样在10份处具有较低的硬度，较高的断裂伸长

率，因此，当加入BaSO4的份数为10份时，其耐碱性最好.随着BaSO4增加，与氟橡胶相容性降低，导致橡胶分子链间的作用力降低.

在100℃质量分数为20%的盐酸溶液中浸泡24 h，强度、硬度有所下降，这是因为氟橡胶本身的结构，氟橡胶硫化反应过程中会产生一种中间体，使硫化胶上存在一些不饱和的双键，使氟橡胶在以后的使用当中加速性能的劣化.

由图1(c)及图2(c)中可以看出其硬度的变化规律为:HCl溶液浸泡的＜NaOH溶液浸泡的＜老化24 h＜二段硫化＜老化72 h.

图2 不同BaSO4含量的橡胶老化前、后及耐溶液后拉伸强度、断裂伸长率、硬度Fig.2 The tensile strength(a)、elongation at break(b)、hardness(c)of the rubber filling the BaSO4 3 结论

本文通过氟橡胶的耐高温酸碱性能的研究得出以下结论:

(1)材料的拉伸强度随胶片老化时间的延长而降低，当BaSO4为10份、硅藻土5份时，老化72 h后其胶料拉伸强度达8.02 MPa.

(2)经高温酸碱浸泡24 h后的标准试样其力学性能均有下降.其中BaSO410份不添加硅藻土时，耐碱性能最好，其拉伸强度达13.33 MPa;BaSO410份、硅藻土5份时，耐酸性能相对较好.

(3)填充不同的填料对氟橡胶的性能影响不同，添加BaSO4的橡胶其耐热性能及耐碱性能好，添加硅藻土WM25的橡胶其耐酸性能好.硬度的变化规律为:HCl溶液浸泡的＜NaOH溶液浸泡的＜老化24 h＜二段硫化＜老化72 h. 参考文献:

【相关文献】

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［2］ 萧楠.氟橡胶的应用与开发［J］.中国石油和化工，2005(3):26－29. ［3］ 付春.氟橡胶的生产现状及发展建议［J］.中国橡胶，2002，18(19):24－25.