Как размер частиц сажи влияет на свойства герметика из ФКМ

Технический углерод является наиболее часто используемым армирующим наполнителем в уплотнительных материалах из ФКМ, обеспечивая значительно лучший армирующий эффект, чем такие наполнители, как диатомит, фторид кальция и сульфат бария. При разработке рецептур уплотнительных материалов из ФКМ выбор размера частиц технического углерода является одним из ключевых факторов, определяющих конечные характеристики готовых изделий. Технический углерод с различными размерами частиц оказывает глубокое и сложное влияние на механические свойства, надежность герметизации, термическую стабильность и технологичность уплотнительных материалов из ФКМ.

I. Механизм упрочнения сердцевины частиц технического углерода: окклюдированная резиновая и наполнительная сетка.

В процессе компаундирования каучука молекулярные цепи каучука могут проникать во внутренние пустоты этих разветвленных структур. После внедрения молекулярные цепи фактически оказываются запертыми в каркасоподобной структуре и теряют свою свободную подвижность. Каучук, оказавшийся в таком состоянии, называется окклюдированным каучуком .

1. Ограниченная подвижность: движение молекулярных цепей заключенной в резину молекулы значительно ограничено; следовательно, при анализе эксплуатационных характеристик резины она функционально рассматривается как неотъемлемая часть технического углерода.

2. Усиление и влияние на эксплуатационные характеристики: Увеличение количества включенной резины означает большее количество иммобилизованных компонентов резины, что напрямую повышает вязкость и твердость компаунда, а также улучшает его прочность на разрыв и модуль упругости. Меньший размер частиц сажи соответствует большей удельной поверхности и более широкой контактной поверхности с резиновой матрицей, что позволяет формировать более плотную резино-наполнительную сетку. Более высокий уровень структуры обеспечивает больше внутренних пустот и позволяет большее количество включенной резины. Синергетический эффект этих двух факторов в конечном итоге определяет содержание включенной резины и морфологию наполнителя.

II. Размер частиц: решающий фактор остаточной деформации при сжатии.

В системах на основе ФКМ размер частиц сажи является доминирующим фактором, влияющим на остаточную деформацию при сжатии. Хотя мелкодисперсная сажа обеспечивает превосходное армирование, она приводит к большей остаточной деформации при сжатии вулканизированных компаундов на основе ФКМ.

1. Дефекты мелкодисперсной сажи: по сравнению с крупнодисперсной сажей MT (~450 нм), мелкодисперсная сажа HAF (~28 нм) приводит к значительному увеличению остаточной деформации при сжатии после высокотемпературного старения.

Первопричина: В условиях высокотемпературного сжатия происходит физическая перестройка сетки наполнителя, что приводит к расходованию части упругой восстановительной силы и увеличению остаточной деформации.

2. Незначительное влияние структуры сажи: В отличие от размера частиц, структура сажи оказывает минимальное или даже незначительное влияние на остаточную деформацию при сжатии. Эквивалентные сетевые структуры обеспечивают эквивалентные характеристики. Исследования показали, что когда сажа с различным уровнем структуры образует наполнительные сетки одинаковой плотности в резиновых смесях, наполненные резиновые материалы демонстрируют в основном одинаковые механические свойства и сопротивление остаточной деформации при сжатии.

III. Разница в долговечности герметизации между двумя типами частиц технического углерода разного размера.

Мелкодисперсная сажа обладает сильной адсорбционной силой на молекулярных цепях резины. Она ограничивает движение молекулярных цепей при высокотемпературном сжатии и снижает упругость, что легко приводит к протечкам и нарушению герметичности при длительной эксплуатации.

Крупночастичная термообработанная сажа (N990, 450 нм) образует рыхлую и стабильную сетчатую структуру наполнителя с превосходной упругостью при высоких температурах и низкой остаточной деформацией при сжатии, что делает ее основным наполнителем для высокотемпературных статических уплотнений.