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三元乙丙橡胶老化研究

李志辉  
【摘要】:高分子材料具有质量轻、强度高、抗腐蚀性能好等优于传统材料性能的特性,广泛应用于各行各业。合成橡胶作为高分子材料中的重要成员之一,在运输、贮存和使用过程中会发生一定程度的老化,对橡胶材料的使用寿命造成严重影响。研究橡胶的老化机理,有助于我们从根本上了解橡胶的老化行为及其规律,从而为开发更高效可靠的防老化技术提供理论基础。本文采用核磁共振氢谱(1H-NMR)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)对2种EPDM(EPDM 3110M和EPDM 9950,后者的丙烯单元含量比前者高。)分别进行了紫外光老化、热氧老化和自然老化研究,并对紫外光吸收剂UV-531、防老剂RD和MB的防老化效果进行了评价,创新性地建立了自然老化与人工加速老化之间的关系。并得出以下结论:1.紫外光老化EPDM的抗紫外光老化性能较差,因此户外使用的EPDM制品需添加紫外光稳定剂来提高其抗紫外光老化能力。老化从丙烯单元的叔氢开始,先生成氢过氧化物,然后分解产生烷氧自由基,再进一步反应生成其他含氧基团;加入5%0紫外光吸收剂UV-531后,第3单体中双键α-H的寿命从1 h延长到8 h,EPDM的抗紫外光老化性能明显提高,紫外光吸收剂UV-531的有效防老化时间为8 h,老化过程中其含量逐渐减少;EPDM中丙烯含量越多,其抗紫外光老化性能越差,3种试样抗紫外光老化性能的优劣顺序为:EPDM 3110MUVEPDM 3110MEPDM 9950;EPDM紫外光老化过程中降解反应占优势,小分子产物的逸出使试样不断减少;建立了本实验条件下的紫外光老化方程(方程2.1~2.6)。2.热氧老化EPDM的抗热氧老化性能较好,EPDM 3110M和9950在100℃下分别老化20 d和17 d后化学结构未发生明显变化;EPDM的热氧老化存在“诱导期”,老化需要一定的能量积累。“诱导期”期间试样未发生交联,有少量β-二酮生成;分别加入5‰的防老剂RD和MB后,EPDM的抗热氧老化性能明显改善,在130℃下,EPDM 3110M、EPDM 9950、EPDM 3110MRD、EPDM 3110MB 的“诱导期”分别为4~5 d、1 d、20 d、17~20 d;抗热氧老化性能的优劣顺序为:EPDM 3110MRDEPDM3110MMBEPDM3110MEPDM9950;“诱导期”过后,试样迅速老化,主链上丙烯单元的叔氢断裂,生成氢过氧化物,进而分解产生其他含氧官能团,试样交联严重,颜色逐渐加深;建立了本实验条件下的热氧老化方程(方程3.1~3.4)。3.自然老化EPDM的自然老化规律与紫外光老化规律相似,老化机理相同;EPDM的抗自然老化性能较差,自然老化10 d化学结构已发生明显变化,户外使用的EPDM制品需添加紫外光稳定剂来提高其抗紫外光老化能力;加入5‰紫外光吸收剂UV-531后,老化性能明显提高,有效防老化时间为160 d,自然老化过程中UV-531含量不断减少;抗自然老化性能的优劣顺序为:EPDM3110MUvEPDM3110MEPDM 9950;建立了本实验条件下的自然老化方程(方程4.1-4.10),利用老化方程可对试样在自然环境中已老化的天数进行鉴定。建立了自然老化与人工加速老化之间的关系方程(方程4.11~4.18),可用于橡胶使用寿命的预测;在本实验条件下,人工紫外光老化7 h相当于自然老化20 d,人工紫外光老化36 h相当于自然老化210 d,人工热氧(130℃)老化5 d相当于自然老化70 d;对比了丁苯橡胶与三元乙丙橡胶老化的差异,其根本原因是两者化学结构不同,导致老化产物的差异,老化总是由其化学结构中较薄弱的环节(活泼H)引发氧化反应,而后形成老化活性中心。


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