EPDM发泡材料的制备及结构与性能研究

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1、上海交通大学博士学位论文EPDM发泡材料的制备及结构与性能研究姓名：王必勤申请学位级别：博士专业：材料学指导教师：彭宗林;张隐西20061101上海交通大学博士学位论文混炼胶的硫化和发泡特征的变化趋势基本相似，但两者对发泡材料结构的影响呈现较大差别，表明硫化和发泡速率的匹配问题不是实现成功发泡的充分条件。为了解决发泡剂利用率低的难题，首次提出一种新的发泡加工工艺：先将混炼胶在哈克中动态预硫化，通过控制硫黄用量来控制橡胶的预交联程度，经预硫化的橡胶再混入发泡剂和硫化剂，然后在热空气中发泡。考察橡胶预硫化过程，预硫化橡胶的流变特性，及其对

2、发泡的影响，研究结果表明，混炼胶在HAAKE中动态预硫化，随着硫黄用量的增加，其平衡扭矩升高，凝胶含量增加，表观粘度、储能模量和损耗模量则呈线性上升。随频率增加，预硫化混炼胶储能模量和损耗模量上升，而表观粘度下降，EPDM混炼胶是一种假塑性流体，具有剪切变稀行为。硫化仪测试结果表明，EPDM混炼胶经动态预硫化后，并未影响其再次硫化速度。考察不同预硫化程度的混炼胶在190。C下发泡，结果表明，随预硫化程度增加，较大的泡孔直径逐渐减小，而小气泡的尺寸基本没有变化，发泡材料的密度先下降后上升。考察发泡剂用量对适宜预硫化程度的混炼胶发泡能力的

3、影响，结果表明随发泡剂用量增加，发泡材料的密度先缓慢降低，随后急剧下降，最后又缓慢降低。随发泡材料的密度降低，其压缩模量、邵尔C硬度降低，而压缩永久变形增加。在相同应力作用下，随发泡材料密度增加，其应力松弛速度明显加快，且应力松弛程度提高。将动态硫化技术应用于难发泡的EP4703混炼胶的油变量体系，实验结果表明能显著提高混炼橡胶的可发性，进一步验证动态硫化技术的普适性。采用振荡圆盘式硫化仪研究了发泡剂AC等温分解和EPDM等温硫化特性。结果表明，AC分解和橡胶硫化反应并不遵循聆次反应速率方程，而是遵循自催化反应动力学模型，在不同温度下

4、，其反应级数并不相同，AC的分解活化能比橡胶硫化的活化能高，表明随着温度的升高，发泡剂AC的分解速度要比橡胶的硫化速度上升的更加迅速。由于表面张力作用，气泡内的气体通过泡壁相互扩散，形成了较大的气泡镶嵌在众多的小气泡中的多层次性的泡孔结构。在橡胶配方基本相同的条件下，用两种加工工艺，制备出不同结构的发泡材料。对于相对密度较低的发泡材料，其压缩应力应变曲线在较低的应变下为线弹性，接着出现较宽的泡孔塌陷平台，最后为密实化区域，是典型的弹性体发泡材料的压缩应力应变曲线。而对于相对密度高的发泡材料，其压缩曲线仅显示两个区，相对较长的线弹性区和

5、应力徒然上升的密实化区域，表现出与密实的固态基材相似的力学性能。随发泡材料相对密度的增加，发泡材料的相对模量也随着增加，在低相对密度时，Gibson．Ashby模型能预测发泡材料的压缩模量。随相对密度的升高，气体在压缩过程产生的应力对材料受到的总应力的贡献降低。密实化应变与材料的相对密一II—上海交通大学博士学位论文度有关，显示不同密度的发泡材料具有不同的压缩变形机制。在较低的允许应力下，相对密度较低的发泡材料其较高的吸收能量的能力源于发泡材料本身较大的变形。在较高的允许应力下，较高相对密度的发泡材料具有较高的能量吸收能力主要是因为发

6、泡材料具有较高的模量以及在大应力作用下较高的变形性。能量吸收的效益曲线、理想参数以及能量吸收图提供了判断和优选合适材料的方法。通过并联Maxwell模型模拟了不同相对密度发泡材料的应力松弛行为，拟合出来的比例系数与实测材料的相对密度基本吻合，其平衡应力随着发泡材料的相对密度的下降而上升，橡胶材料的应力松弛时间明显呈现多分散性，不同相对密度下EPDM橡胶基材的应力松弛时间和表观松弛强度差别较小。而气体通过橡胶基材的扩散松弛时间明显较长。本论文的主要创新之处：(1)将动态预硫化技术应用于橡胶发泡过程，提出了一种发泡加工的新工艺，即混炼胶在

7、哈克中先动态预硫化，通过控制硫黄用量来控制橡胶预交联程度，预硫化混炼胶再混入发泡剂和硫化剂体系，然后在热空气中硫化并发泡，该工艺不突出强调橡胶硫化和发泡剂分解速率的严格匹配，采用常用原材料、简单配方，容易控制的工艺条件，制备出外观良好、结构可调的发泡材料。具有容易控制、生产周期短、节省发泡剂用量等特点。(2)橡胶基体材料是构成和影响发泡材料力学性能最关键的因素，基体材料的力学性能提高必然导致发泡材料的力学性能的上升。采用高耐磨炭黑N330作为EPDM的补强填料，系统的研究了促进剂种类，加工温度，发泡剂用量，炭黑及油的用量对发泡行为的影

8、响，制备出表面光滑、平整的橡胶发泡材料。(3)研究了发泡材料的应力．应变和应力松弛行为，特别是依据发泡材料的应力松弛特点，提出发泡材料的应力松弛模型来研究发泡材料的应力松弛行为。关键词：三元乙丙橡胶，发泡剂，高耐磨炭黑，