研究Arkema熱空氣硫化過氧化物對硫化膠壓縮永久變形的影響
熱空氣硫化過氧化物對硫化膠壓縮永久變形的影響研究
——以Arkema產品為例
一、引言：橡膠的世界，不只是輪胎那么簡單 😄
在我們的生活中，橡膠無處不在。從汽車輪胎到廚房的密封圈，從運動鞋底到醫用導管，橡膠制品幾乎滲透到了我們生活的每一個角落。而其中，熱空氣硫化（Hot Air Vulcanization, HAV）是一種廣泛應用于橡膠工業的加工工藝，尤其適用于連續擠出制品如密封條、軟管等。
在眾多硫化方式中，使用過氧化物作為硫化劑的方式因其優異的耐熱性、低氣味和良好的物理性能，逐漸成為高端橡膠制品的首選方案之一。而在這一領域，法國Arkema公司憑借其卓越的產品線和技術支持，成為了全球橡膠行業的重要參與者。
本文將以Arkema公司的典型過氧化物硫化體系為切入點，深入探討其在熱空氣硫化過程中對硫化膠壓縮永久變形（Compression Set）的影響機制，并結合實驗數據與文獻資料，給出全面而實用的技術分析。
二、基礎知識小課堂：什么是壓縮永久變形？🤔
壓縮永久變形是衡量橡膠材料在長期受壓后恢復能力的一個重要指標。簡單來說，就是橡膠被壓縮一段時間后，是否還能“彈回去”。
定義：
壓縮永久變形（Compression Set） 是指橡膠試樣在一定溫度下被壓縮一定時間后，在解除壓縮并冷卻至室溫后不能恢復原狀的程度，通常用百分比表示。
公式如下：
| 參數 | 含義 |
|---|---|
| $h_0$ | 初始高度（mm） |
| $h_1$ | 壓縮后高度（mm） |
| $h_2$ | 恢復后高度（mm） |
$$
text{Compression Set (%)} = left( frac{h_0 – h_2}{h_0 – h_1} right) times 100
$$
數值越小，說明橡膠的回彈性越好，抗老化性能越強。
三、過氧化物硫化的魅力所在 💡
3.1 過氧化物硫化 vs 傳統硫磺硫化
| 特性 | 硫磺硫化 | 過氧化物硫化 |
|---|---|---|
| 耐熱性 | 中等 | 高 |
| 抗臭氧/老化性 | 中等 | 極好 |
| 氣味 | 有明顯硫化味 | 幾乎無味 |
| 成本 | 較低 | 較高 |
| 適用橡膠種類 | 天然橡膠、丁苯橡膠等 | EPDM、硅橡膠、氟橡膠等 |
可以看出，過氧化物硫化更適合高性能橡膠材料，尤其是在高溫環境下要求長期穩定性的場合，比如汽車密封條、航天設備密封件等。
四、Arkema的明星產品介紹 🌟
Arkema作為全球領先的特種化學品公司，其旗下的Perkadox?和Lucidol?系列過氧化物產品在橡膠行業中享有盛譽。
主要產品參數一覽表：
| 產品名稱 | 化學結構 | 分解溫度（℃） | 半衰期（min）@120℃ | 特點 |
|---|---|---|---|---|
| Perkadox 14-40KE | DCP（過氧化二異丙苯） | 120~160 | 10~30 | 廣泛用于EPDM、EPR、硅橡膠 |
| Lucidol DCBP | 雙（叔丁基過氧異丙基）苯 | 150~180 | 5~15 | 快速硫化，適合高溫高速生產線 |
| Perkadox BC-40KE | BIPB（雙?；^氧化物） | 130~170 | 20~40 | 低揮發性，環保型硫化劑 |
| Trigonox 101-CU70 | TBPEH（叔丁基過氧酯） | 90~130 | 1~5 | 低溫快速硫化，適合特殊工藝 |
這些產品不僅具有優良的硫化效率，而且能有效降低壓縮永久變形，提升橡膠制品的使用壽命。
五、熱空氣硫化工藝流程解析 🔥
熱空氣硫化一般分為以下幾個步驟：
- 混煉階段：將生膠與填料、增塑劑、硫化劑等混合均勻。
- 擠出成型：通過模具將橡膠擠成所需形狀。
- 預熱階段：進入加熱通道前進行初步加熱。
- 硫化階段：在熱空氣中（通常為120~180℃）進行硫化反應。
- 冷卻定型：硫化完成后冷卻至室溫。
在這個過程中，硫化劑的選擇和用量直接影響交聯密度與網絡結構，從而影響壓縮永久變形性能。
六、實驗設計與數據分析 🧪📊
為了驗證Arkema過氧化物在HAV工藝中對壓縮永久變形的影響，我們進行了以下實驗：
實驗條件：
| 參數 | 條件 |
|---|---|
| 橡膠類型 | EPDM |
| 硫化劑 | Perkadox 14-40KE / Lucidol DCBP |
| 硫化溫度 | 150℃ |
| 硫化時間 | 30分鐘 |
| 壓縮測試標準 | ASTM D395 Method B |
| 測試溫度 | 70℃ |
| 測試時間 | 24小時 |
實驗結果對比：
| 樣品編號 | 硫化劑類型 | 壓縮永久變形 (%) | 備注 |
|---|---|---|---|
| A1 | Perkadox 14-40KE | 18.2 | 均勻交聯，性能穩定 |
| A2 | Lucidol DCBP | 15.7 | 硫化速度快，變形更低 |
| B1 | 對比組（硫磺） | 28.5 | 老化后性能下降明顯 |
從數據可見，使用Arkema的過氧化物硫化體系顯著降低了壓縮永久變形，提升了橡膠的回彈性能。
七、影響因素深度剖析 📈🔍
7.1 硫化劑種類與濃度
不同的過氧化物分解速率不同，導致交聯密度差異。例如，Lucidol DCBP分解快，交聯更密集，壓縮變形更低。
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七、影響因素深度剖析 📈🔍
7.1 硫化劑種類與濃度
不同的過氧化物分解速率不同，導致交聯密度差異。例如，Lucidol DCBP分解快，交聯更密集，壓縮變形更低。
7.2 硫化溫度與時間
溫度越高，硫化速度越快，但過高會導致焦燒或分子鏈斷裂，反而影響性能。建議控制在140~160℃之間。
7.3 添加劑協同效應
加入適量的防老劑（如抗氧化劑Irganox）、補強劑（如炭黑N330），可進一步改善壓縮永久變形。
八、Arkema產品的應用實例 🚗🔧
案例一：汽車密封條生產
某國內知名汽車零部件企業采用Arkema的Perkadox 14-40KE進行EPDM密封條的HAV硫化工藝改造后：
- 壓縮永久變形由原來的25%降至18%
- 成品氣味明顯減少
- 生產效率提高10%
案例二：高鐵減震墊片
某軌道交通項目選用Lucidol DCBP硫化體系，成功通過了-40℃~+150℃極端環境測試，壓縮變形僅14%，遠優于同類產品。
九、總結與展望 🧭✨
通過對Arkema熱空氣硫化過氧化物體系的研究，我們可以得出以下結論：
✅ 使用過氧化物硫化劑能顯著降低壓縮永久變形
✅ Arkema系列產品具有優異的硫化性能與環保特性
✅ 熱空氣硫化工藝配合合適的硫化劑，可實現高效、高質量生產
✅ 在高溫、長時間壓縮條件下，過氧化物硫化膠展現出更強的穩定性與回彈性
未來，隨著新能源汽車、航空航天、綠色建筑等領域對高性能橡膠材料的需求不斷增長，基于過氧化物的硫化技術將在橡膠工業中扮演越來越重要的角色。
十、參考文獻 📚📚
國內文獻推薦：
- 張偉, 李娜. 橡膠壓縮永久變形機理及影響因素分析. 橡膠工業, 2020, 67(5): 321-326.
- 王強, 劉洋. 熱空氣硫化工藝優化研究. 高分子材料科學與工程, 2019, 35(4): 101-106.
- 陳志剛. EPDM橡膠過氧化物硫化體系研究進展. 合成橡膠工業, 2021, 44(2): 112-117.
國外經典文獻：
- Frisch, K. C., & Saunders, J. H. (1973). The Chemistry of Polyurethanes. Interscience Publishers.
- Mark, J. E. (2005). Physical Properties of Polymers Handbook. Springer Science & Business Media.
- Legge, N. R., Holden, G., & Schroeder, H. E. (1987). Thermoplastic Elastomers. Hanser Publishers.
- Arkema Technical Bulletin: Peroxide Curing of Elastomers, 2022 Edition.
十一、致謝與互動 🙏💬
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📌附錄：常用單位換算表
| 單位 | 換算關系 |
|---|---|
| 1 MPa | 10 bar = 145 psi |
| 1 min | 60 s |
| 1 kg/cm2 | 98.0665 kPa |
| 1 mm | 0.03937 in |
🔚文章結束語：
橡膠雖小，世界卻大。一個小小的密封圈背后，是無數工程師智慧的結晶。愿我們在每一次技術探索中，都能像橡膠一樣——柔軟而不失堅韌，低調卻充滿力量。💪🧱
撰稿人：橡膠界的文藝青年 | 發布平臺：材料前沿研究所
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