賀日東 談金祝

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

螺桿泵定子橡膠材料制備及力學(xué)性能研究①

賀日東 談金祝

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

選用3種不同丙烯腈含量的生膠(型號(hào)為N3965、N3345和JSR N220S)同時(shí)改變補(bǔ)強(qiáng)體系中炭黑與白炭黑的比例，研究生膠、補(bǔ)強(qiáng)劑和溫度對(duì)丁腈橡膠材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，N3965彈性體材料在硬度、拉伸性能、壓縮彈性模量及耐熱性能等方面都優(yōu)于其他兩種材料。同時(shí)，研究了4種不同的炭黑與白炭黑并用比例對(duì)N3965力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著白炭黑用量的不斷增大，N3965材料的抗拉強(qiáng)度、延伸率、撕裂強(qiáng)度和耐熱性能均有提高，但其壓縮彈性模量有所降低，壓縮永久變形量、蠕變量和應(yīng)力松弛量變大，當(dāng)炭黑和白炭黑的并用比例為100∶ 30時(shí)， N3965硫化膠料的綜合性能最好。試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度對(duì)丁腈橡膠材料的力學(xué)性能有顯著影響，隨著溫度的升高，丁腈橡膠材料的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降，壓縮應(yīng)力松弛率先快速減小隨后逐漸增大。

螺桿泵 定子材料 丁腈橡膠 生膠 補(bǔ)強(qiáng)劑 力學(xué)性能

由于螺桿泵的工作環(huán)境惡劣且復(fù)雜，溫度高，壓力大，在長(zhǎng)期不間斷工作和疲勞載荷的共同作用下，螺桿泵中橡膠定子的力學(xué)性能快速下降，使材料出現(xiàn)老化，并發(fā)生破損失效，嚴(yán)重縮短了螺桿泵的使用年限，同時(shí)也限制了它的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用[1～3]。橡膠定子作為螺桿泵使用過(guò)程中失效最快的部件，它的壽命決定了整個(gè)螺桿泵的使用壽命[4]，因此通過(guò)改變生膠材料種類以及補(bǔ)強(qiáng)劑種類和配比等方法設(shè)計(jì)出合適的定子橡膠材料具有十分重要的意義。

早在1937年德國(guó)Faben I G公司就已經(jīng)開(kāi)始了丁腈橡膠(Nitrile Butadiene Rubber，NBR)的工業(yè)化生產(chǎn)，NBR具有較好的耐介質(zhì)性能、耐熱性能和力學(xué)性能，得到了廣泛的認(rèn)可，具有十分廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景[5]。目前關(guān)于NBR的研究主要集中在單一的硫化體系，或新型添加劑或補(bǔ)強(qiáng)劑對(duì)橡膠力學(xué)性能的影響，但是對(duì)基膠的選擇對(duì)性能影響的研究則較少；此外，關(guān)于補(bǔ)強(qiáng)劑混合使用對(duì)力學(xué)性能影響的研究也少有報(bào)道。針對(duì)于如何提高丁腈橡膠的各項(xiàng)性能，很多的研究院所和科研單位都在進(jìn)行著不同的探索和嘗試[6]。韓國(guó)有等利用有限元法研究了定子橡膠材料的泊松比對(duì)螺桿泵舉升壓力(揚(yáng)程)的影響[7]。徐加勇等研究了僅加入無(wú)機(jī)填料填充丁腈橡膠的物理力學(xué)性能[8，9]。林桂等研究了用聚酯短纖維增強(qiáng)的丁腈橡膠硫化膠料的壓縮性能[10,11]。李巧真等針對(duì)泵的總成性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),自行研制并設(shè)計(jì)了一套螺桿泵實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[12]。Jahromi A E等采用正交分析方法研究了加工工藝參數(shù)對(duì)聚氨酯/丁腈橡膠/納米碳酸鈣混合物力學(xué)性能的影響[13]。

筆者采用實(shí)驗(yàn)的方法，研究3種不同生膠(N3965、N3345、JSR N220S)對(duì)NBR彈性體材料性能的影響，通過(guò)比較3種生膠制得的彈性體材料的拉伸性能、撕裂性能以及壓縮性能等幾個(gè)重要指標(biāo)綜合分析篩選一種最好的作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的生膠。同時(shí)，研究補(bǔ)強(qiáng)劑配比，即炭黑(N330)和白炭黑(SiO2)的配比對(duì)NBR彈性體材料力學(xué)性能的影響，通過(guò)在不同的溫度下測(cè)試幾項(xiàng)受其影響比較大的力學(xué)性能，最終確定補(bǔ)強(qiáng)劑的最佳配比，為NBR材料的性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料及配方

實(shí)驗(yàn)材料選用螺桿泵定子常用的丁腈橡膠(NBR)材料。為了研究不同型號(hào)生膠對(duì)NBR材料力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)選用3種型號(hào)的生膠，即N3965、N3345和JSR N220S。其中，N3345和N3965均由德國(guó)朗盛公司產(chǎn)，JSR N220S生膠由日本瑞翁公司產(chǎn)。補(bǔ)強(qiáng)劑選用常用的補(bǔ)強(qiáng)炭黑(N330)和沉淀法白炭黑(SiO2)，均由安徽立信橡膠科技有限公司產(chǎn)；硫化劑采用的硫磺(S)是由阿克瑪化工有限公司產(chǎn)；助劑氧化鋅(ZnO)和硬脂酸均由上海京華化工廠有限公司產(chǎn)；促進(jìn)劑(DM)、防老劑(4010NA)和增塑劑(DOP)均為橡膠工業(yè)常用原料。

為研究生膠種類以及補(bǔ)強(qiáng)劑配比對(duì)NBR材料力學(xué)性能的影響，筆者設(shè)計(jì)了7種配方，分別命名為A、B1、C、B2、B3、B4和B5，均采用硫磺作為硫化劑。其中配方A采用生膠N3345，配方B1～B5以N3965作為基膠，配方C以JSR N220S作為基膠，具體配方見(jiàn)表1、2。

表1 不同生膠的橡膠材料試驗(yàn)配方 phr

表2 不同補(bǔ)強(qiáng)劑比例的橡膠材料試驗(yàn)配方 phr

1.2實(shí)驗(yàn)材料制備

為了制備實(shí)驗(yàn)材料，首先將NBR生膠按表1配方置于開(kāi)煉機(jī)中混煉，得到混煉膠，所用設(shè)備為開(kāi)放式煉膠機(jī)小輥距開(kāi)煉，加料順序?yàn)閆nO、防老劑4010NA，混合均勻后添加炭黑N330、促進(jìn)劑DM，再添加硫化劑，助劑加入后，調(diào)整輥距至1mm 翻煉6次，調(diào)整輥距下片，室溫下存放24h后返煉；然后，采用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀確定硫化時(shí)間，最后，基于所測(cè)定的硫化時(shí)間在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化得到硫化膠，最終制得實(shí)驗(yàn)材料，即NBR彈性體材料。

基于試驗(yàn)測(cè)得的硫化參數(shù)見(jiàn)表3，硫化條件為：硫化溫度150℃，硫化壓力10MPa，硫化時(shí)間6～7min。

表3 不同配方的硫化參數(shù)

1.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程及表征方法

將制備好的NBR彈性體材料加工成力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)所需試樣。其中拉伸性能按GB/T 528-2009進(jìn)行，試樣幾何形狀和尺寸如圖1所示。撕裂性能按GB/T 12833-2006進(jìn)行，試樣形狀及尺寸如圖2所示。壓縮應(yīng)力松弛按GB/T 1685-2008進(jìn)行，壓縮永久變形按GB/T 7759-1996進(jìn)行。將試樣在室溫下壓縮3天后取出測(cè)量，兩種試驗(yàn)所需圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣由模壓法制備而成，其直徑為13 mm，高6.3 mm。同時(shí)考慮到溫度對(duì)于橡膠材料的拉伸性能和應(yīng)力松弛性能的影響比較大，將拉伸試樣和應(yīng)力松弛試樣分別置于溫度為25、70、100℃的保溫箱保溫3天，該溫度非常接近螺桿泵的工作溫度，然后利用高低溫萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)保持對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)試橡膠的拉伸性能和應(yīng)力松弛性能。

圖1 啞鈴狀拉伸試樣示意圖

圖2 褲形撕裂試樣示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1生膠種類對(duì)彈性體力學(xué)性能的影響

為了研究不同種類生膠對(duì)NBR彈性體材料綜合力學(xué)性能的影響，按照表1配方得到3種混煉膠，經(jīng)過(guò)硫化后分別檢測(cè)材料的常規(guī)力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 橡膠材料力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

從表4測(cè)試結(jié)果可以看出，配方A和B的硬度稍高，較大的硬度值有利于提高橡膠材料的耐磨性能。配方B1的抗拉強(qiáng)度、壓縮彈性模量、壓縮永久變形、斷后伸長(zhǎng)率最大，配方A次之，配方C最小。從撕裂強(qiáng)度方面來(lái)看，配方C最大，B1稍小，A最?。慌浞紸、B1的延伸率較大，都超過(guò)了430%，而配方C的延伸率只有380%左右。

溫度對(duì)于性能的影響如圖3、4所示。隨著試驗(yàn)溫度的升高，3種配方的抗拉強(qiáng)度都會(huì)出現(xiàn)明顯下降，但是幅度略有不同，配方B1和配方C下降幅度較配方A小，維持在50%左右。3種配方的延伸率隨溫度的升高同樣呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，配方B1的下降幅度最小為39%，而配方A和配方C的下降幅度都已超過(guò)50%，延伸率降至200%以下。

圖3 不同溫度下3種配方的抗拉強(qiáng)度曲線

綜上，配方B1雖然在撕裂強(qiáng)度、壓縮永久變形和斷后伸長(zhǎng)率方面稍差一些，但是具有較大的硬度、壓縮彈性模量和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)在高溫的作用下表現(xiàn)出了相對(duì)優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度和延伸率，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐熱性能。因此，選用配方B1中的丁腈橡膠N3965作為待用生膠。

圖4 不同溫度下3種配方的延伸率曲線

2.2炭黑與白炭黑并用比例對(duì)丁腈橡膠材料性能的影響

為了研究不同補(bǔ)強(qiáng)劑并用比例對(duì)NBR綜合力學(xué)性能的影響，使用炭黑N330和白炭黑SiO2兩者并用作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系，設(shè)計(jì)了4種配方(表2)，進(jìn)行混煉和硫化后按照橡膠材料性能測(cè)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作對(duì)應(yīng)的試樣，分別按照標(biāo)準(zhǔn)的要求檢測(cè)材料的常規(guī)力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 橡膠材料力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

從表5可知，配方B2具有較高的壓縮彈性模量和較低的蠕變量，但是撕裂強(qiáng)度和延伸率都較小。這是由于白炭黑的使用量太小，沒(méi)有起到足夠的補(bǔ)強(qiáng)效用，此時(shí)白炭黑的加入對(duì)硫化膠料的性能影響不大。配方B3的壓縮永久變形量較小，斷后伸長(zhǎng)率和應(yīng)力松弛量也較低。配方B4則具有較低的斷后伸長(zhǎng)率和應(yīng)力松弛量，較高的撕裂強(qiáng)度。配方B5的撕裂強(qiáng)度最大，延伸率最高，但是斷后伸長(zhǎng)率、壓縮永久變形量、蠕變量也最大。這是由于白炭黑與丁腈橡膠的結(jié)合能力與丁腈橡膠中丙烯腈的含量成正比，丙烯腈基團(tuán)與白炭黑表面的羥基相互結(jié)合形成交聯(lián)，有利于白炭黑在硫化膠料中的分散，對(duì)提高硫化膠料的性能有較大幫助。本實(shí)驗(yàn)中使用的丁腈橡膠N3965屬于高丙烯腈含量丁腈橡膠，因此它與白炭黑的相互分散較易，相互結(jié)合的能力較強(qiáng)。隨著白炭黑添加量逐漸增多，表現(xiàn)出白炭黑補(bǔ)強(qiáng)膠的補(bǔ)強(qiáng)特點(diǎn)越明顯。

綜上可知，白炭黑的加入對(duì)丁腈橡膠材料的抗拉強(qiáng)度、延伸率、撕裂強(qiáng)度和壓縮彈性模量等力學(xué)性能有較大的影響。隨著白炭黑用量的增加，硫化膠料的抗拉強(qiáng)度、延伸率和撕裂強(qiáng)度都得到了較大提高，硫化膠料的耐熱性能也得到了提升。不過(guò)白炭黑的加入也會(huì)導(dǎo)致硫化膠料壓縮永久變形量、蠕變量和應(yīng)力松弛率增大。因此，在滿足使用條件的情況下，白炭黑的用量應(yīng)該控制在一定的范圍之內(nèi)。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，配方B4硫化膠料具有較高的抗拉強(qiáng)度，較大的延伸率，較高的撕裂強(qiáng)度和壓縮彈性模量，同時(shí)膠料的耐熱性能良好，應(yīng)力松弛率較小。然而硫化膠料的壓縮永久變形量和蠕變量稍高，不過(guò)變形量均在基本誤差控制范圍內(nèi)，對(duì)橡膠材料的實(shí)際使用影響并不大。因此可以得出，炭黑N330與白炭黑SiO2并用作為補(bǔ)強(qiáng)劑對(duì)丁腈橡膠材料具有較大的補(bǔ)強(qiáng)作用，同時(shí)并用比例為100∶ 30時(shí)，硫化膠料的綜合性能較高。綜合比較多種配方可知，配方B4硫化膠料無(wú)論在力學(xué)性能還是耐熱性能等方面都表現(xiàn)較好，適合用于制作螺桿泵定子材料。

3 結(jié)論

3.1丁腈橡膠N3965彈性體材料在硬度、拉伸性能、壓縮彈性模量以及耐熱性能等方面都優(yōu)于其他兩種材料，撕裂強(qiáng)度和壓縮永久變形性能與其他兩種材料大小相近。

3.2溫度對(duì)丁腈橡膠材料的力學(xué)性能有顯著影響，隨著溫度的升高，硫化膠料的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，壓縮應(yīng)力松弛率呈現(xiàn)出先快速減小隨后逐漸增大的趨勢(shì)。

3.3炭黑和白炭黑并用比例達(dá)到100∶ 30時(shí)，得到的丁腈橡膠硫化膠料的綜合性能最佳，拉伸性能和耐熱性能得到了較大的提高，同時(shí)硫化膠料的壓縮性能降低不明顯，能較好地滿足螺桿泵定子用橡膠材料的使用要求。

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ThePreparationofStatorRubberMaterialsandDiscussionofTheirMechanicalPropertiesforScrewPumps

HE Ri-dong, TAN Jin-zhu

(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

Three kinds of NBR (i.e. N3965, N3345 and JSR N220S) were chosen and the ratio of carbon black to carbon white in reinforcing system was altered for investigating into the effects of raw rubbers, reinforcing agents and temperatures on NBR’s mechanical properties. The results show that, the NBR(N3965) outperforms other two materials in the hardness, tensile property, compressive modulus of elasticity and heat-resistant quality; meanwhile, the effects of four different ratios of the carbon black to carbon white on the NBR’s mechanical property were discussed to show that, when white carbon black’s dosage is increased constantly, the N3965 rubber material’s tensile strength, ductility, tearing strength and heat-resistant quality become enhanced with the decreased compressive modulus of elasticity and the increased compression set and the creep deformations and stress relaxation modulus; when the ratio of the carbon black to carbon white stays at 100∶ 30, the NBR(N3965)vulcanized rubber has better complexity property. The test results show that, the temperature influences the NBR’s (N3965) mechanical property obviously, and with the increase of temperature, the tensile strength of the NBR rubber becomes decreased obviously and the compression stress relaxation rate is initially decreased rapidly and then increased gradually.

screw pump, stator material, NBR, raw rubber, reinforcing agent, mechanical property

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175241)。

賀日東(1993-)，碩士研究生，從事新能源技術(shù)及裝備研究。

聯(lián)系人談金祝(1964-)，教授，從事新能源技術(shù)及裝備研究，tjznjut@njut.edu.cn。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)05-0492-06

2016-11-23，

2016-12-06)