采用双重硫化体系的NBR/ACM混合物的优化及其在变压器密封应用中的适用性

《ACS Omega》：Optimization of NBR/ACM Blends with Dual Vulcanization System and Suitability for Transformer Sealing

双硫化系统下NBR/ACM共混橡胶的机械性能、热稳定性和油相容性研究。通过优化90:10的NBR与ACM质量比，获得兼具优异机械强度（拉伸强度21.15MPa，断裂伸长率276%）、耐热老化性（125℃×168h后硬度仅增加7Shore A）和低温柔性（氮气泄漏点稳定在-20℃）的密封材料，有效降低绝缘油污染和劣化速率，延长变压器密封件寿命。

　　
本研究针对变压器橡胶密封材料在机械性能、热稳定性和油兼容性方面的综合需求，创新性地提出采用NBR（丁腈橡胶）与ACM（丙烯酸酯橡胶）双硫化体系复合改性技术。通过系统研究不同配比下材料性能的协同效应，最终确定90:10的NBR/ACM复合体系在保持优异机械性能的同时，显著提升热氧老化稳定性和油相适应性，为变压器密封材料升级提供了重要技术路径。

研究团队首先构建了双硫化协同体系，NBR采用常规硫磺硫化体系，而ACM采用皂类助剂辅助的硫磺硫化系统。通过优化硫化促进剂配比（TMTD-80、TETD-80、CZ-80、DTDM-80复合体系），实现两种橡胶的硫化反应同步进行。实验发现，当ACM掺入量超过20%时，硫化时间延长40%以上，但通过调整硫化温度（第一阶段165℃/10min，第二阶段160℃/3h）和压力（10MPa），可有效缩短总硫化时间至15-20min，确保生产可行性。

在微观结构调控方面，研究团队创新性地引入碳黑表面处理技术。通过纳米分散工艺，使N550碳黑粒径分布控制在25-45μm范围内，并形成梯度分散结构。扫描电镜观察显示，在90:10配比体系中，碳黑呈现"海岛状"均匀分散，比表面积达到120m2/g，显著优于单一NBR体系（80m2/g）。这种微观结构设计有效增强了橡胶-填料界面结合力，Payne效应测试显示其ΔG’值较单一NBR降低18%，表明材料在动态载荷下具有更好的抗变形能力。

热稳定性测试表明，复合体系在125℃老化168h后，硬度仅增加7Shore A（0.6%），而纯NBR体系硬度增加达56%。动态力学分析显示，复合材料的玻璃化转变温度Tg从纯NBR的-4.3℃降至-2.1℃，这种低温性能提升使其在-20℃低温环境下仍能保持有效密封。特别值得注意的是，在125℃油介质中浸泡168h后，复合体系体积变化率仅2.8%，而纯NBR体系体积膨胀率达37%，这得益于ACM的饱和主链结构有效抑制了油分子渗透导致的溶胀效应。

机械性能测试数据显示，90:10复合体系在拉伸强度（21.15MPa）、断裂伸长率（276%）和100%定伸模量（6.35MPa）等关键指标上均优于单一组分。这种性能协同源于两种橡胶的相容性优化：ACM的极性基团与NBR的氰基基团形成氢键网络，使拉伸强度提升19%；同时，ACM的耐热主链限制了NBR在高温下的过度硫化，有效延缓了材料的老化进程。

油相兼容性测试揭示了材料与变压器油的相互作用机制。通过FTIR跟踪发现，复合体系中NBR的过氧化物链端与ACM的羧基发生酯交换反应，生成稳定的碳酸酯基团，这种化学修饰使油品酸值仅上升0.03mg KOH/g，远低于纯NBR体系（2.15mg KOH/g）。介电性能测试显示，复合材料的tanδ值（0.29%）与ACM本体性能接近，表明其油相适应过程中未引入显著极性变化。

工业化应用方面，研究团队开发出新型双滚筒混炼工艺。通过添加0.3phr的CTP/PVI抗焦烧剂，将混炼温度控制在120℃以下，解决了ACM易粘辊的问题。实测数据显示，该工艺可使碳黑分散度达93.25%（表4），较传统工艺提升12个百分点。在压片成型阶段，采用0.5phr的DTDM-80促进剂，使硫化时间缩短至常规工艺的60%，同时保证拉伸强度波动控制在±3%以内。

该技术体系的经济性优势显著。以某变压器密封件为例，采用复合材料的成本仅为纯ACM体系的50%，同时通过延长密封件寿命周期（测试显示可延长3-5年）和降低维护频率（每年维护次数从2次降至0.5次），全生命周期成本降低38%。环境效益方面，复合体系使变压器油酸值年增长率从0.15mg KOH/g降至0.03mg KOH/g，达到GB/T 25340-2010标准中优级品要求。

未来研究可进一步探索纳米改性技术。实验表明，当添加2phr的GO-PHI纳米复合材料时，复合体系拉伸强度可提升至24.5MPa，但需注意纳米填料对低温性能的影响。建议后续研究聚焦于开发低温相容性纳米增强剂，以及建立基于材料基因组的多尺度性能预测模型，以实现更精准的配方设计。

该成果已成功应用于某电力集团1000kV变压器密封件，在实际运行中表现出优异的耐候性和油相稳定性。数据显示，采用复合材料的密封件在连续运行1500天后，泄漏率仍低于0.01%，而纯NBR体系泄漏率已达0.15%。这充分验证了复合体系在复杂工况下的可靠性，为电力设备密封材料的技术升级提供了可复制的技术方案。