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耐热橡胶制品设计要点

橡胶作为高分子材料,其主链的化学成分是烃类,易燃而不耐热,所以橡胶的耐热仅仅是相对而言的,不能和真正的耐热材料(如石棉)相提并论。但出于实际应用的需要,对耐热性提出了越来越多的要求。而经过材料选择、配方设计,橡胶的耐热等级的上限也在逐步提升。耐热橡胶制品的品种和应用则与日俱增。


  关于耐热橡胶的温度范围,迄今缺乏统一的认识。比较为业界认同的是“在80°C以上能长期使用后仍能保持原有性能和使用价值的橡胶”。


  过去几十年来,耐热橡胶制品的范围在不断扩大,原因在于:第一,若干传统制品过去并不要求耐热,而随着使用条件的变化,也相继提出耐热要求。典型例子是轮胎。由于车速的加快,滚动生热大幅上升,提高耐热性是必须跨越的门槛。其他橡胶制品也有类似情况。第二,橡胶制品与各种热介质(如各种润滑油、制动油、工作介质及液压油)等的接触机会增加,温度也大大超过常温。第三,为了顺应橡胶工业自身在加工中的耐热需要,例如轮胎硫化所用的水胎、胶囊都需在170°C~180°C的温度下长期使用,挤出制品的连续硫化更得在200°C以上的高温下进行,它们都必须具备耐热和抗返原的特性。


  耐热性是指在一定的高温使用条件下,在较长的时间内保持原有基本物理机械性能的能力。耐热性决定制品的最高使用温度和寿命,一般物理机械性能在高温下保持稳定,即具有在高温下能够抵抗氧、臭氧、高能辐射、机械疲劳等因素的作用。


  硫化橡胶的耐热性表现在橡胶分子、交联键及其配合剂(主要是填充剂和增塑剂)有较高的粘流温度、热分解温度和化学稳定性。橡胶的粘流温度取决于橡胶分子结构的极性和刚性、橡胶分子之间的作用力、填料与橡胶之间的相互作用和交联键的键能。橡胶的热分解温度取决橡胶分子结构的化学键性质,化学键能越高,耐热性越好。橡胶的化学稳定性也是影响耐热性能的一个重要因素。因为在高温条件下,橡胶与氧、臭氧、其它介质的接触,都会促进橡胶的老化与被腐蚀。


  橡胶在高温即热氧作用下,橡胶大分子会发生降解、交联、环化、异构化,活性填料会与橡胶分子发生进一步的作用,交联键产生断裂、环化或重新交联,橡胶内低分子物质产生挥发、分解。橡胶的耐热性与橡胶分子结构和组分、温度、机械作用和介质有密切关系。


  从配方设计的角度考虑,要提高橡胶制品的耐热性,主要通过如下三种途径:第一是选择对热和氧稳定性好,其化学结构具有高耐热性的橡胶;第二是在选用橡胶品种的基础上,选择耐热的硫化体系来改善硫化胶的耐热性;第三是发展优良的稳定剂系统,以提高橡胶制品对热和氧的防护能力。所以总的说来,主要通过生胶的牌号、硫化体系、防护体系、填料、增塑体系来综合考虑。


  提高橡胶制品的耐热性,主要通过三种途径:a.合成新型橡胶,使其化学结构具有高的耐热性;b.选择适当的硫化体系、填料、增塑剂;c.发展优良的耐热氧老化剂。


  耐热性条件:短时耐热温度、连续使用温度、介质


  耐热老化性的表征:性能保持率/变化率、外观变化情况


  耐热橡胶配方设计涉及到主体材料、硫化体系、防护体系和抗返原剂的正确选用,以及它们之间的协调配合。


  1橡胶品种的选择


  各胶种的耐热等级不等,但并非说设计时非得局限于几种高耐热生胶不可,还得考虑所要求的耐热上限和配方设计上的协调配合,寻找出最佳的使用效果/成本平衡点首先要掌握好主体材料的选用,为此应透彻了解产品的实际使用温度及持续时间。这种选择对配方人员来说往往因人而异,但大体上已形成下表1所示的共识。


  生胶的耐温等级很大程度上取决于分子结构,主链为杂链的耐温性优于碳链的;主链上不饱和度低的优于高的,饱和结构则更好;侧链含卤族原子或极性基团的也都有较好的耐热性。


  主体材料一般可单用或并用,当遇到一种胶不足以满足要求时,就得借助于两种耐热胶种的并用来达到互补。并用对象也可选用合成树脂,往往能产生协同效应。如丁腈/聚氯乙烯。有时,产品除了耐热之外还有其他要求,单一胶种往往难以兼顾,也须借助于并用。


  橡胶的分子结构对制品的耐热性起决定性的作用,在耐热橡胶配方中,一般选用高温下不易软化、热稳定性和化学稳定性高的品种。


  某些橡胶在高温下变软的程度取决于大分子的极性,因此,所有提高橡胶的极性,例如在橡胶分子中引入腈基、酯基、羟基、氯原子、氟原子等极性基团都有助于提高耐热性。例如NBR、ACM、CO/ECO等。


  橡胶的热稳定性取决于化学键的性质。聚合物主热反应程度与聚合无的结构及化学键合强度有关。在橡胶中减少弱键的数量,提高其键能,可以提高耐热性。例如用耐热的无机元素取代主链上的碳原子,如VMQ等,或使用那些具有高键能的聚合物,如FPM等,将获得优异的耐热性。

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