賀日東 談金祝

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

螺桿泵定子橡膠材料制備及力學性能研究①

賀日東 談金祝

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

選用3種不同丙烯腈含量的生膠(型號為N3965、N3345和JSR N220S)同時改變補強體系中炭黑與白炭黑的比例，研究生膠、補強劑和溫度對丁腈橡膠材料力學性能的影響。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，研究了4種不同的炭黑與白炭黑并用比例對N3965力學性能的影響。結(jié)果表明，隨著白炭黑用量的不斷增大，N3965材料的抗拉強度、延伸率、撕裂強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，當炭黑和白炭黑的并用比例為100∶ 30時， N3965硫化膠料的綜合性能最好。試驗結(jié)果表明,溫度對丁腈橡膠材料的力學性能有顯著影響，隨著溫度的升高，丁腈橡膠材料的抗拉強度出現(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 補強劑 力學性能

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性能快速下降，使材料出現(xiàn)老化，并發(fā)生破損失效，嚴重縮短了螺桿泵的使用年限，同時也限制了它的進一步發(fā)展和應(yīng)用[1～3]。橡膠定子作為螺桿泵使用過程中失效最快的部件，它的壽命決定了整個螺桿泵的使用壽命[4]，因此通過改變生膠材料種類以及補強劑種類和配比等方法設(shè)計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Faben I G公司就已經(jīng)開始了丁腈橡膠(Nitrile Butadiene Rubber，NBR)的工業(yè)化生產(chǎn)，NBR具有較好的耐介質(zhì)性能、耐熱性能和力學性能，得到了廣泛的認可，具有十分廣闊的開發(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，或新型添加劑或補強劑對橡膠力學性能的影響，但是對基膠的選擇對性能影響的研究則較少；此外，關(guān)于補強劑混合使用對力學性能影響的研究也少有報道。針對于如何提高丁腈橡膠的各項性能，很多的研究院所和科研單位都在進行著不同的探索和嘗試[6]。韓國有等利用有限元法研究了定子橡膠材料的泊松比對螺桿泵舉升壓力(揚程)的影響[7]。徐加勇等研究了僅加入無機填料填充丁腈橡膠的物理力學性能[8，9]。林桂等研究了用聚酯短纖維增強的丁腈橡膠硫化膠料的壓縮性能[10,11]。李巧真等針對泵的總成性能測試實驗,自行研制并設(shè)計了一套螺桿泵實驗裝置計算機控制系統(tǒng)[12]。Jahromi A E等采用正交分析方法研究了加工工藝參數(shù)對聚氨酯/丁腈橡膠/納米碳酸鈣混合物力學性能的影響[13]。

筆者采用實驗的方法，研究3種不同生膠(N3965、N3345、JSR N220S)對NBR彈性體材料性能的影響，通過比較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重要指標綜合分析篩選一種最好的作為后續(xù)實驗的生膠。同時，研究補強劑配比，即炭黑(N330)和白炭黑(SiO2)的配比對NBR彈性體材料力學性能的影響，通過在不同的溫度下測試幾項受其影響比較大的力學性能，最終確定補強劑的最佳配比，為NBR材料的性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和科學方法。

1 實驗

1.1實驗材料及配方

實驗材料選用螺桿泵定子常用的丁腈橡膠(NBR)材料。為了研究不同型號生膠對NBR材料力學性能的影響，實驗選用3種型號的生膠，即N3965、N3345和JSR N220S。其中，N3345和N3965均由德國朗盛公司產(chǎn)，JSR N220S生膠由日本瑞翁公司產(chǎn)。補強劑選用常用的補強炭黑(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強劑配比對NBR材料力學性能的影響，筆者設(shè)計了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，具體配方見表1、2。

表1 不同生膠的橡膠材料試驗配方 phr

表2 不同補強劑比例的橡膠材料試驗配方 phr

1.2實驗材料制備

為了制備實驗材料，首先將NBR生膠按表1配方置于開煉機中混煉，得到混煉膠，所用設(shè)備為開放式煉膠機小輥距開煉，加料順序為ZnO、防老劑4010NA，混合均勻后添加炭黑N330、促進劑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，采用無轉(zhuǎn)子硫化儀確定硫化時間，最后，基于所測定的硫化時間在平板硫化機上進行硫化得到硫化膠，最終制得實驗材料，即NBR彈性體材料。

基于試驗測得的硫化參數(shù)見表3，硫化條件為：硫化溫度150℃，硫化壓力10MPa，硫化時間6～7min。

表3 不同配方的硫化參數(shù)

1.3實驗過程及表征方法

將制備好的NBR彈性體材料加工成力學性能實驗所需試樣。其中拉伸性能按GB/T 528-2009進行，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進行，壓縮永久變形按GB/T 7759-1996進行。將試樣在室溫下壓縮3天后取出測量，兩種試驗所需圓柱體標準試樣由模壓法制備而成，其直徑為13 mm，高6.3 mm。同時考慮到溫度對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，然后利用高低溫萬能試驗機保持對應(yīng)的溫度測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 實驗結(jié)果與分析

2.1生膠種類對彈性體力學性能的影響

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

表4 橡膠材料力學性能檢測結(jié)果

從表4測試結(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的抗拉強度、壓縮彈性模量、壓縮永久變形、斷后伸長率最大，配方A次之，配方C最小。從撕裂強度方面來看，配方C最大，B1稍小，A最小；配方A、B1的延伸率較大，都超過了430%，而配方C的延伸率只有380%左右。

溫度對于性能的影響如圖3、4所示。隨著試驗溫度的升高，3種配方的抗拉強度都會出現(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，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50%，延伸率降至200%以下。

圖3 不同溫度下3種配方的抗拉強度曲線

綜上，配方B1雖然在撕裂強度、壓縮永久變形和斷后伸長率方面稍差一些，但是具有較大的硬度、壓縮彈性模量和抗拉強度，同時在高溫的作用下表現(xiàn)出了相對優(yōu)異的抗拉強度和延伸率，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丁腈橡膠材料性能的影響

為了研究不同補強劑并用比例對NBR綜合力學性能的影響，使用炭黑N330和白炭黑SiO2兩者并用作為補強填充體系，設(shè)計了4種配方(表2)，進行混煉和硫化后按照橡膠材料性能測定的相關(guān)標準制作對應(yīng)的試樣，分別按照標準的要求檢測材料的常規(guī)力學性能，結(jié)果見表5。

表5 橡膠材料力學性能檢測結(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，但是撕裂強度和延伸率都較小。這是由于白炭黑的使用量太小，沒有起到足夠的補強效用，此時白炭黑的加入對硫化膠料的性能影響不大。配方B3的壓縮永久變形量較小，斷后伸長率和應(yīng)力松弛量也較低。配方B4則具有較低的斷后伸長率和應(yīng)力松弛量，較高的撕裂強度。配方B5的撕裂強度最大，延伸率最高，但是斷后伸長率、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，對提高硫化膠料的性能有較大幫助。本實驗中使用的丁腈橡膠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。隨著白炭黑添加量逐漸增多，表現(xiàn)出白炭黑補強膠的補強特點越明顯。

綜上可知，白炭黑的加入對丁腈橡膠材料的抗拉強度、延伸率、撕裂強度和壓縮彈性模量等力學性能有較大的影響。隨著白炭黑用量的增加，硫化膠料的抗拉強度、延伸率和撕裂強度都得到了較大提高，硫化膠料的耐熱性能也得到了提升。不過白炭黑的加入也會導(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)。以上實驗結(jié)果表明，配方B4硫化膠料具有較高的抗拉強度，較大的延伸率，較高的撕裂強度和壓縮彈性模量，同時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，不過變形量均在基本誤差控制范圍內(nèi)，對橡膠材料的實際使用影響并不大。因此可以得出，炭黑N330與白炭黑SiO2并用作為補強劑對丁腈橡膠材料具有較大的補強作用，同時并用比例為100∶ 30時，硫化膠料的綜合性能較高。綜合比較多種配方可知，配方B4硫化膠料無論在力學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溫度對丁腈橡膠材料的力學性能有顯著影響，隨著溫度的升高，硫化膠料的抗拉強度出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，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。

3.3炭黑和白炭黑并用比例達到100∶ 30時，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。

[1] 王霞,陳玉祥,周松，等. 采油用螺桿泵定子橡膠及其性能的改進[J] .材料導(dǎo)報，2005，19(11):82～84.

[2] Lehman M. Large Progressing Cavity Pumps for Oil Field Transfer Application [J]. World Pumps, 2005, (467)：28～30.

[3] 張建偉.井下采油用螺桿泵的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 石油機械，2000，28(8): 56～58.

[4] 陳玉祥,王霞,周松，等.提高螺桿泵定子橡膠材料壽命的分析與研究[J].排灌機械, 2005,23(4):6～9.

[5] 張玉龍,齊貴亮. 橡膠改性技術(shù)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[6] 周毅.單螺桿泵橡膠定子的研制[J]. 橡膠工業(yè)，2003, 50(5): 312～313.

[7] 韓國有,王明起,祖海英，等.定子橡膠泊松比對螺桿泵舉升性能影響研究[J].化工機械,2015,42(5):697～700.

[8] 徐加勇,馬小鵬,袁玉虎.無機填料對丁腈橡膠性能的影響[J]. 特種橡膠制品, 2012，33(2):39～41.

[9] Jazani O M, Arefazar A. The Influence of NBR-g-GMA Compatibilizer on the Morphology and Mechanical Properties of Poly (ethylene terephthalate)/ Polycarbonate/NBR Ternary Blends [J]. Polymer- Plastics Technology and Engineering, 2013, 52(13):1295～1302.

[10] 林桂，張建春，張秀娟，等.短纖維對橡膠發(fā)泡復(fù)合材料增強機理的細觀分析[J].橡膠工業(yè),2004,51(1):5～13.

[11] 張憲清,賀春江.聚酯短纖維增強丁腈橡膠硫化膠的壓縮性能[J].合成橡膠工業(yè),2007,30(2):129～132.

[12] 李巧真,白瑞峰,李偉鋒，等.螺桿泵實驗裝置計算機控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2014, 41(10):1119～1123.

[13] Jahromi A E, Arefazar A,Jazani O M,et al. Taguchi-based Analysis of Polyamide 6/Acrylonitrile-Butadiene Rubber/Nanoclay Nanocomposites: The Ole of Processing Variables [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2013, 130(2):820～828.

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

國家自然科學基金項目(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)