天然橡胶(NR)以其优异的弹性、高强度和良好的加工性能而广泛应用于许多领域。然而,其耐油性是其主要的弱点之一。天然橡胶板暴露在油类(如矿物油、润滑油、燃油等)中时,容易发生溶胀、软化、强度下降甚至解体。影响天然橡胶板耐油性的因素是多方面的,主要包括:
1. 橡胶本身的化学结构:
* 非极性特性: 天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯,是一种非极性聚合物。而许多油类(尤其是矿物油)也是非极性的。根据“相似相溶”原理,非极性的油分子更容易渗透、扩散并溶解到非极性的橡胶分子链中,导致橡胶发生严重的溶胀和软化。
* 不饱和度: 天然橡胶分子链中含有大量碳碳双键(高不饱和度)。这些双键使得橡胶在硫化后仍具有一定的化学活性。某些油类(如含有不饱和成分或添加剂的油)可能与橡胶发生化学反应,加速其老化降解。
2. 硫化体系与交联密度:
* 硫化剂类型: 不同的硫化体系对耐油性有显著影响。通常,过氧化物硫化产生的碳-碳交联键比传统的硫磺硫化产生的多硫键具有更好的耐热性和耐油性。多硫键在油和热的作用下更容易断裂。
* 交联密度: 提高硫化程度(即增加交联密度)可以在一定程度上限制油分子向橡胶内部的渗透和扩散,从而改善耐油性。交联点越多,分子链的运动越受限,溶胀程度会相对降低。但过高的交联密度会影响橡胶的弹性和低温性能。
3. 填充剂和增塑剂:
* 填充剂: 添加填充剂如炭黑、白炭黑、碳酸钙等,不仅可以补强橡胶,提高力学性能,也能在一定程度上阻碍油分子的渗透路径,略微改善耐油性(但效果有限)。炭黑的效果通常优于无机填料。
* 增塑剂/软化剂: 天然橡胶加工中常添加石油系增塑剂(如石蜡油、芳烃油)来改善加工性和柔韧性。然而,这些增塑剂本身就是油类,在橡胶制品接触外部油品时,更容易被萃取出来或被外部油溶胀,导致性能快速下降。应尽量避免使用此类增塑剂,或改用极性更高的、不易被油萃取的增塑剂(如酯类增塑剂,但成本高且影响低温性)。
4. 油品的类型和性质:
* 油品极性: 油品的极性是影响溶胀程度的关键。非极性的油(如矿物油、石蜡油)对非极性的天然橡胶溶胀作用。极性较大的油(如蓖麻油、某些酯类油)或含极性添加剂的油对天然橡胶的溶胀作用相对较小。
* 油品分子量: 分子量较小的油更容易渗透到橡胶内部。
* 油品成分: 油品中是否含有不饱和成分、芳香烃(强溶剂)、硫、氯等活性物质,这些都可能与橡胶发生反应,加剧破坏。
5. 使用条件:
* 温度: 温度升高会显著加速油分子向橡胶内部的扩散速度,加剧溶胀和老化过程。高温下的耐油性比室温下差很多。
* 接触时间: 与油接触的时间越长,溶胀和性能下降的程度越大。
* 应力状态: 如果橡胶在接触油品的同时还承受拉伸、压缩或动态应力,会加速油品的渗透和材料的破坏。
总结: 天然橡胶固有的非极性和不饱和结构是其耐油性差的内在原因。虽然可以通过优化硫化体系(如使用过氧化物硫化、提高交联密度)、选择合适的填充剂以及避免使用易被萃取的石油系增塑剂来有限度地改善其耐油性,但本质上无法达到(NBR)、氢化(HNBR)、氟橡胶(FKM)等极性或饱和橡胶的水平。因此,在需要良好耐油性的应用场合,通常会选择天然橡胶与其他耐油橡胶(如NBR)共混,或者直接选用耐油性更好的合成橡胶替代天然橡胶。评估天然橡胶板的耐油性时,必须结合具体的油品类型、使用温度和时间等条件进行测试(如ASTM D471)。
