液压传动介质对丁腈橡胶密封材料性能的影响研究

薛永升

摘  要：主要研究对比乳化油和浓缩液两种介质对煤矿常用丁腈橡胶密封材料的性能影响。通过参考相关实验方法，将丁腈橡胶试样在40℃的温度下分别浸泡到5%的浓缩液稀释液与乳化液两种传动介质中1天、3天、7天，并测定浸泡后橡胶试样的质量、尺寸、硬度、拉伸性能、撕裂性能、抽出物的变化情况。结果表明：就选用的两种传动介质对橡胶试样的性能影响对比，浓缩液对丁腈橡胶性能变化的影响比乳化油的影响更小，说明浓缩液与丁腈橡胶的相容性更好。

关键词：密封材料;丁腈橡胶;浓缩液;乳化油

中图分类号：TQ336.42     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）26-0172-03

1  概  述

液压支架是保证整个工作面安全生产的重中之重，其主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。液压支架的升、降、推、移等基本动作都是由乳化泵站供给的高压液体即传动介质，通过各种阀控制立柱、千斤顶的伸缩来实现。

液压支架传动介质是液压系统中的重要组成部分，是整个综采工作面液压支架系统的“血液”，它保证了整个采煤工作面的安全顺畅采煤和工人的生命安全。液压支架传动介质分为乳化油、微乳液、浓缩液等。

目前，我国综采液压系统的工作介质常使用的是配比浓度为5%的浓缩液稀释液或乳化液。

密封材料是液压支架中关键零部件之一，实际工况下与传动介质接触频繁。如果传动介质与密封材料的相容性不佳，一定程度上会造成密封材料的物理和化学性能发生变化。这些变化在很大程度上影响密封材料在液压系统中的使用性能。井下液压系统的压力一般在30 MPa左右，一旦密封材料损坏，造成支架出现跑冒滴漏等现象，严重时会造成液压支架泄压，从而带来安全隐患。

因此研究分析液压支架传动介质对密封材料的性能影响具有很重要的意义。煤矿液压支架中采用的密封材料多由丁腈橡胶制备而成，因此本研究中采用丁腈橡胶作为基体材料，研究浓缩液和乳化油对其性能变化的影响。

2  实验方案

2.1  液压支架传动介质的选取

实验介质选用某矿区使用量较大的国内某品牌A浓缩液和国外某品牌B乳化油两种传动介质，实验材料都是从某矿工作面现场提取的原液。两种产品的各项性能指标都满足MT76-2011《液压支架用乳化油、浓缩液及其高含水液压液》的要求。

2.2  试样制备

2.2.1  基本配方

基本配方（质量份）：丁腈橡胶生胶100.00，氧化锌5.0，硬脂酸1.0，白炭黑10.0，防老剂（4010NA）1.5，防老剂（RD）1.0，炭黑（N330）50.0;葵二酸二丁酯7.0，促进（DM）1.5，促进剂（TMTD）  1.5，硫黄2.0，DCP2.0。

2.2.2  混炼工艺

丁腈橡胶试样制备时其开炼机的辊筒表面温度应保持（50±5 ℃），混炼按照下列程序进行：

①将辊距调至1.5 mm使丁腈橡胶生胶包辊，打开冷却水使水温保持在10 ℃，辊温控制在50 ℃左右，塑炼2 min。

②生胶包辊后，表面不开裂可以加入氧化锌、硬脂酸，一边切割两刀打三个三角包，薄通两遍并割胶翻炼，混炼3 min。

③加入防老剂，混炼3 min。

④将辊距调至2.0 mm加入1/2炭黑N330，混炼4 min。

⑤剩下的炭黑N330和增塑剂交替加入，左右交替割胶翻炼3次，混炼5 min。

⑥加入硫磺、DCP和促进剂继续割胶翻炼，待混炼均匀后薄通3遍，调整辊距至2.5 mm出片，4 min。混炼胶停放24 h后待用。

⑦将停放后的混炼胶在1.5 mm辊距下塑炼2 min，调整辊距至2.5 mm出片，并裁剪成长方形剪片放入模具中硫化，在170 ℃下硫化20 min，制成2 mm±0.2 mm厚的标准硫化胶试片。

2.3  实验仪器与设备

P3555B2型盘式硫化仪（北京环峰机械制造厂生产）;

Φ160×320双辊开炼机（上海橡胶机械一厂生产）;

XQLB-350×350平板硫化机（上海橡胶机械制造厂生产）;

CMT4104电子拉力机（深圳新三思公司生产）;

XY-1邵尔硬度计（上海橡胶机械制造厂生产）;

HD-10型厚度计（北京化工机修厂生产）。

2.4  传动介质对密封材料性能影响的实验方法

按煤炭行业标准MT76-2011《液压支架用乳化油、浓缩液及其高含水液压液》配制成浓度为5%的液压支架传动介质稀释液，并分别标记为1#-A浓缩液稀释液与2#-B乳化液，配液用水为蒸馏水。

丁腈橡胶试样质量、尺寸、硬度、拉伸性能、抽出物测定等性能的变化率实验方法依据GB/T1690-2010《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》。

丁腈橡胶试样撕裂性能变化率的实验方法依据GB/T529-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定（裤形、直角形和新月形试样）》。

丁腈橡胶试样压缩永久变形变化的实验方法依据GB/T7759-1996《硫化橡胶、热塑性橡胶常温、高温和低温下压缩永久变形测定》。

2.5  通用试验程序

将试样浸入盛有试验液体的磨口瓶中，并将装置放入已达到温度为40 ℃的恒温箱中。对于全浸试验，试样应距离容器内壁不少于5 mm，距容器底部和液体表面不少于10 mm。每组测试需用3个试样，分别间隔1天、3天、7天取样。试样分别标记为1#-1D、1#-3D、1#-7D、2#-1D、2#-3D、2#-7D。

在浸泡试验结束后，从恒温箱中取出试验装置，用滤纸擦去试样表面的黏性不挥发液体，在标准实验室温度下调节

30 min，进行相关测量。

2.6  测量数据

2.6.1  试样质量的变化

质量变化百分率为：

Δm100=（mi-m0）/m0×100%。

式中：m0为浸泡前试样在空气中的质量，单位为克（g）;

mi为浸泡后试样在空气中的质量，单位为克（g）。

2.6.2  试样尺寸的变化

长度变化百分率为：

Δl100=（li-l0）/l0×100%。

式中：l0为试样的初始长度，单位为（mm）;

li为试样浸泡后的长度，单位为（mm）。

宽度k和厚度h变化百分率计算公式与长度相同。

2.6.3  拉伸性能的变化

拉伸性能变化百分率：

（ΔX100）ΔX100=（Xi-X0）/ X0×100%

式中：X0为试样浸泡前的拉伸性能值;

Xi为试样浸泡后的拉伸性能值。

拉伸性能包括试样初始横截面积计算拉伸强度TS、拉断伸长率E和100%定伸应力T。

2.6.4   测定抽出物的变化

将浸泡后的试样在一个绝对大气压约20 kPa，温度为40 ℃的试验箱中干燥至恒重，即每隔30 min将试样称重一次，直至连续两次称量之差小于1 mg为止。

抽出物质的量以试样经浸泡并干燥后的质量与试样初始质量之差占试样初始质量的百分率表示。

2.6.5  撕裂性能

撕裂强度变化百分率：

（ΔT）ΔT=（Ti- T0）/ T0×100%

式中：

T0为试样浸泡前的撕裂强度;

Ti为试样浸泡后的撕裂强度，单位为千牛每米（kN/m）。

2.6.6  压缩永久变形

压缩永久变形：

C（%）=[（h0-h1）/（ho-hs）]×100%。

式中：

C为压缩变形;

h0为试验前试样厚度，mm;

hs为限制器的高度，mm;

h1为试样恢复后的厚度，mm。

3  结果分析

3.1  质量变化

浸泡前后试样质量的变化不仅反映出传动介质对丁腈橡胶的溶胀性能，同时说明丁腈橡胶在不同传动介质中的老化速率。丁腈橡胶在1#-A浓缩液稀释液与2#-B乳化液中分别浸泡不同天数后的质量率变化，如图1所示。

由图中可以看出，在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液试样的质量变化率都大，说明2#-B乳化液浸入橡胶较多，不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下的质量稳定。

3.2  尺寸变化

浸泡后试样尺寸的变化不仅反映出传动介质与橡胶的互溶性能，同时说明了橡胶制品的抗老化性能。浸泡前后试样尺寸变化，见表1。

在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液试样的长度、宽度、厚度变化率都大，说明2#-B乳化液影响橡胶较多，不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下的尺寸稳定。

3.3  拉伸性能变化

浸泡前后试样拉伸性能变化，见表3。

在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液试样的拉伸强度（TS）、100%定伸应力（T）、拉断伸长率（E）变化率都大，说明2#-B乳化液的浸入对丁腈橡胶弹性网络的影响更大，不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下长期使用。

3.4  撕裂性能变化

在橡胶工业在与试样主轴平行的方向上，撕裂试片所需的最大力除以试片的厚度，单位为kN/m。它是橡胶所具备的一项重要物理性能指标。本实验选用直角撕裂强度进行浸泡前后对比试验。

浸泡前后试样撕裂性能变化，见表4。

在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液的试样撕裂强度变化率大，说明2#-B乳化液的浸入对丁腈橡胶抗撕裂性能的影响更大，不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下长期使用。

3.5  抽出物的变化

试样中抽出物的多少决定了浸泡式样所浸入的液体数量，会严重影响丁腈橡胶密封件在现场的使用。浸泡前后试样抽出物比例，如图2所示。在同一浸泡天数对比中，浸泡在2#-B乳化液比浸泡在1#-A浓缩液稀释液试样的抽出物比例大，说明2#-B乳化液不利于丁腈橡胶密封件在乳化液环境下长期使用。

3.6  压缩永久变形

压缩永久变形是橡胶制品的重要指标之一，硫化橡胶压缩永久变形的大小，涉及到硫化橡胶的弹性与恢复。

首先测定试样的原始高度，选择8 mm的限制器，然后把试样和限制器放于夹具中，均匀地压缩到规定的高度。压缩时，试样、限制器不能互相接触。将夹具放入烘箱中，升至100 ℃时开始计时。24 h后，从烘箱中取出夹具，在室温下冷却2 h，然后打开夹具，取出试样，在自由状态下停放1 h，测量试样压缩后的恢复高度。

浸泡前后试样压缩永久变形的实验数据，见表5。

在浸泡1#-A浓缩液稀释液的3组试样中，随着浸泡天数的增加，压缩永久变形与未浸泡试样相比变化不大，即使浸泡7天，压缩永久变形仅为6.1%（未浸泡的为5.5%），说明1#-A浓缩液稀释液对丁腈橡胶性能影响较小，不会破坏橡胶网络的弹性恢复。

在浸泡2#-B乳化液的3组试样中，随着浸泡天数的增加，压缩永久变形与未浸泡试样相比变化较大，为别为11.0%、19.5%、21.7%（未浸泡的为5.5%），说明2#-B乳化液对丁腈橡胶的弹性恢复影响较大，2#-B乳化液渗入到橡胶网络结构中，导致其弹性恢复能力明显降低。

4   结  语

将同样配方的丁腈橡胶分别浸泡在质量百分数为5%的A浓缩液稀释液与B乳化液相同的时间，经过B乳化液浸泡的丁腈橡胶质量、尺寸、硬度、拉伸性能、撕裂性能、抽出物比例、压缩永久变形与在A浓缩液稀释液浸泡的丁腈橡胶相比变化率更大，结果表明就浓缩液与乳化油两种传动介质，丁腈橡胶密封件更适合在浓缩液稀释液中长期使用。

参考文献：

[1] 韩勇，杜勇，王玉超，等.环保型矿用浓缩液的研究与应用[J].煤炭科学    技术，2009，37（6）：119-122.

[2] 杨成龙，杜勇，王玉超，等.水基液压液与密封材料相容性试验研究[J].

煤炭科学技术，2010，38（11）：108-111.

[3] MT76-2011，液压支架用乳化油、浓缩液及其高含水液压液[S].

[4] GB/T2941-2006，橡胶物理试验方法试样制备和调解通用程序[S].

[5] 周义群，胡恩柱，徐玉福，等.密封圈在生物质油中的溶胀安定性研究

[S].

[6] 郑恩山，郭慧，武永娟，等.德国朗盛丁腈橡胶在奶油制品中的应用[S].

[7] GB/T1690-2010，硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法[S].

[8] GB/T14832-2008，标准弹性体材料与液压液体的相容性试验[S].

[9] GB/T529-2008，硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的    测定（裤形、直角形和新月形试样）[S].

[10] GB/T7759-1996，硫化橡胶、热塑性橡胶常温、高温和低温下压缩永    久变形测定[S].