硅橡膠epdm共混改性及其性能研究

硅橡膠epdm共混改性及其性能研究

1硅系沸石材料在研磨高材料時，將兩種或多種聚合物混合，通過雜交反應(yīng)形成相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮各自的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。這是對高材料翻新的有效方法之一。硅橡膠內(nèi)絕熱材料以其具有較高的信號透過率、優(yōu)良的耐燒蝕性能和抗高溫燃?xì)鉀_刷性能,使其成為固體火箭發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)的重要內(nèi)絕熱材料品種,然而,硅橡膠的較高密度、低強(qiáng)度和較差的界面粘接性能限制了它的應(yīng)用;三元乙丙橡膠(EPDM)以其力學(xué)性能好、密度低、熱分解溫度高和較好的界面粘接性能,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在固體火箭發(fā)動機(jī)上,但是,EPDM內(nèi)絕熱材料存在高煙霧特性以及耐富氧燃?xì)鉀_刷性差的缺點(diǎn),限制了它在低特征信號固體火箭發(fā)動機(jī)或者沖壓發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用。本文通過EPDM對硅橡膠的共混改性,制備了硅橡膠/EPDM,對其力學(xué)、熱和燒蝕性能進(jìn)行了研究。2實(shí)驗(yàn)2.1材料和組成進(jìn)口EPDM,其他如苯基硅橡膠、氣相白炭黑、無機(jī)纖維與助劑等均為市售。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方見表1。2.2拉伸和燒蝕率硅橡膠/EPDM的拉伸強(qiáng)度、伸長率按照GB/T528—1998,撕裂強(qiáng)度按照GB/T529—1999,用DXLL-5000型電子拉力試驗(yàn)機(jī)測定,拉伸速率為500mm/min,溫度20℃;線燒蝕率用氧-乙炔焰按照GJB323—1996進(jìn)行測試,燒蝕時間20s;質(zhì)量燒蝕率利用AL204電子天平(0.0001)測量燒蝕后試樣炭化層的質(zhì)量,除以燒蝕時間計(jì)算得到;邵氏硬度在LX-A邵氏硬度計(jì)上按照GB/T531—1999測定;TGA采用德國耐馳公司NETZSCHSAT449C熱失重儀進(jìn)行測試,程序升溫速率為10℃/min,空氣氣氛。3結(jié)果與討論3.1拉伸性能和撕裂強(qiáng)度由表2可以看出,硅橡膠/EPDM的拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能都有較大幅度提高。其中當(dāng)硅橡膠/EPDM為60/40時,拉伸強(qiáng)度提高了21%,伸長率提高了36.86%,撕裂強(qiáng)度提高了27.34%。同時二者之間在此共混比下具有良好的相容性;當(dāng)硅橡膠/EPDM為70/30時,其拉伸強(qiáng)度比硅橡膠的還要低,這可能是由于在機(jī)械力作用下,EPDM在硅橡膠中不能充分分散,使EPDM大分子以填料粒子的形式分散在硅橡膠相中,增大硅橡膠相分子鏈間距,使共混膠的共硫化程度降低,相界面層間力減弱。3.2熱性能與材料品質(zhì)的關(guān)系提高基體材料燒蝕后的成碳率,對改善耐燒蝕性能有重要的作用。由圖1可知,在800℃時,EPDM、硅橡膠和硅橡膠/EPDM的殘留量分別為39%、49.%和51.%,這表明:通過EPDM對硅橡膠的共混改性,具有較高的質(zhì)量保持率,這與表2的結(jié)果相一致。在圖1中,硅橡膠和EPDM的最大熱分解溫度區(qū)間分別為435~540℃、370~470℃,材料質(zhì)量損失速率最快,分別為35%、44%,而硅橡膠/EPDM最大熱分解溫度區(qū)間為360~490℃,質(zhì)量損失率僅為27.30%,可見共混后雖然最大熱分解溫度較硅橡膠降低(在兩者之間),但是質(zhì)量損失率卻大大降低,究其原因可能有兩個:一是共混膠的微區(qū)相態(tài)結(jié)構(gòu)對熱性能有著重要的影響。在共混膠中形成以含量高的硅橡膠組分為“海相”,以含量低的EPDM為“島相”的“?！獚u結(jié)構(gòu)”,其中海相結(jié)構(gòu)對材料的熱裂解溫度起主要作用,所以共混膠的熱裂解溫度比EPDM要高;二是熱量向內(nèi)部基體材料的傳導(dǎo)速率與炭化層的堆積速率。即當(dāng)炭層的堆積速率小于熱傳導(dǎo)速率時,材料就會在熱量的急劇積聚下,質(zhì)量熱解速率增大,單位時間內(nèi)質(zhì)量損失就多,當(dāng)炭層的堆積速率等于或超過熱傳導(dǎo)速率時,生成的炭層覆蓋在基體表面,對原始層及熱解層起到保護(hù)的作用,同時向外界輻射能量,降低熱能向內(nèi)部的傳導(dǎo),隨著溫度的升高,炭層含量增大,所以即使熱解溫度降低,質(zhì)量損失量卻少。3.3催化劑的燒蝕性能從表3可知,EPDM的線燒蝕率較高(0.200mm/s左右),且燒蝕后炭層結(jié)構(gòu)較為疏松[圖2(a)],炭層與EPDM基體粘接不牢,通過調(diào)解EPDM的配方(如調(diào)整有機(jī)、無機(jī)纖維和無機(jī)填料添加比例和用量等),雖然在一定程度上可以改善EPDM的燒蝕性能和炭層結(jié)構(gòu),但EPDM基體炭層疏松的不足使其難以滿足高速固體火箭發(fā)動機(jī)或者沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室中富氧、高燃速燃?xì)鉀_刷的苛刻條件對絕熱材料性能的要求。與EPDM相比,硅橡膠(線燒蝕率為0.140mm/s)具有較好的燒蝕性能,絕熱材料表面燒蝕后形成的炭層也較為堅(jiān)硬,與基體粘接性能較好,不易剝落,這對阻止高溫燃?xì)庀蚪^熱材料分解層和原始層的侵蝕燃燒起到了一定防護(hù)作用;但是,該炭層存在較多穿透性裂紋,如圖2(b),這尚不能完全阻止高溫燃?xì)鈱μ繉右韵陆^熱材料區(qū)進(jìn)行侵蝕燃燒。因此,優(yōu)化絕熱材料燒蝕后的炭化層結(jié)構(gòu),如炭化層的厚度、強(qiáng)度和密實(shí)性等是提高火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)絕熱材料燒蝕性能的有效手段。將EPDM引入到硅橡膠后,燒蝕后形成的燒蝕炭層較硅橡膠炭層密實(shí)、穿透性的微裂紋更少;較EPDM的炭層更為堅(jiān)硬、不易脫落,優(yōu)化了炭化層的結(jié)構(gòu)與性能(圖2);同時,這種炭化層能夠較好地阻止高溫?zé)嵫趸詺怏w和熱量向材料內(nèi)部傳遞,抑制大分子主鏈的熱降解反應(yīng)和重排;并且硅橡膠/EPDM的燒蝕性能得到了顯著提高。其中當(dāng)硅橡膠與EPDM比例為60/40時,硅橡膠/EPDM線燒蝕率為0.09mm/s,燒蝕性能最好,分別較硅橡膠、EPDM線燒蝕率降低35.70%、55.00%。在硅橡膠中引入EPDM顯著改善了炭層結(jié)構(gòu)與性能,提高了絕熱材料的燒蝕性能。4材料燒蝕性能(1)采用共混工藝,以過氧化物為共硫化劑,通過EPDM對硅橡膠共混改性,制備了用于固體火箭發(fā)動機(jī)具有較好燒蝕性能的硅橡膠/EPDM,其線燒蝕率隨EP