摘要 采用高反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR)对橡胶(NBR)进行改性,制备了高耐磨、低生热输送轮用白炭黑填充的NBR/TBIR橡胶纳米复合材料. 研究了NBR/TBIR橡胶纳米复合材料的交联密度、物理力学性能及填料分散性,探讨了材料的结构对性能的影响. 研究结果表明,与纯NBR相比,NBR/TBIR橡胶纳米复合材料的硫化速率和交联密度随TBIR用量的增加而增大; 在保持NBR硫化胶基本力学性能、耐老化性能和耐溶剂性能基本不变的前提下,TBIR的加入使NBR/TBIR硫化胶的耐磨性提高15%,动态压缩生热降低5%,动态压缩永久变形降低22%,白炭黑分散水平提高; 与橡胶/顺丁橡胶[NBR/BR(80/20),质量份数比]硫化胶相比,NBR/TBIR(80/20,质量份数比)硫化胶具有更低的动态压缩生热和动态压缩永久变形及更好的填料分散性. 关键词 反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶; 橡胶; 顺丁橡胶; 耐磨性; 纳米复合材料
输送轮作为驱动轮或承载轮广泛应用于各种生产输送系统,在实际工作中主要受到垂直方向的压力和摩擦力影响,并且连续作业还会引起较高的生热,因此在制备输送轮时需要选择高硬度、高耐磨及低生热的材料[1,2]. 由于橡胶(NBR)具有较高的硬度及优异的耐热性,常作
为输送轮的耐磨层使用. 但由于NBR分子链中含有强极性的侧基,使得滞后损耗高,生热严重,影响了产品的使用寿命[3]. 因此开发同时具备低生热、低磨耗及耐老化等性能的输送轮胶料具有重要意义. 顺丁橡胶(BR)与NBR并用可以提高NBR的耐磨性,同时BR柔顺的分子链结构可以降低材料的内摩擦损耗,降低硫化胶的生热、改善耐低温性及耐磨性[4～7]. He等[8～17]制备了高反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR),研究结果表明TBIR具有适宜的结晶性,从而有效降低分子链的内摩擦,降低生热,提高硫化胶动态疲劳性能; 同时可使橡胶模量与强度提高,可以有效抑制填料的聚集,改善共混胶料的填料分散性,提高硫化胶的耐磨性能. 本文将TBIR与NBR并用,以期改善NBR基硫化胶的生热性能和耐磨耗性能.
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
橡胶(NBR),牌号N220S,丙烯腈含量41%,门尼黏度为56.0,日本JSR公司; 顺丁橡胶(BR),牌号 山东齐鲁石化公司; 高反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR),丁二烯单体单元(Bd)摩尔分数为 重均分子量抓鸡工具Mw=1.04×106,分子量分布89c2051Mw/Mn=13.7,山东华聚高分子材料有限公司; 白炭黑(7000GR),上海灏燊化工有限公司; 硅烷偶联剂双-(γ-三乙氧基硅基丙基)四硫化物(Si69),上海品胜公司; 过氧化二异丙苯(DCP)和三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC),莱茵化学(青岛)有限公司.
吸咪头
RM-200C型密炼机,哈尔滨哈普电子机械有限公司; MM150-330型双辊开炼机,美国法雷尔公司; HS-100T-RTMO型平板硫化机,佳鑫电子设备科技(深圳)有限公司; MV Permier型门尼黏度测试仪、MDR 2000型无转子硫化仪和Disper GRADER αView型填料分散测试仪,美国阿尔法科技公司; NP24-100T4CS型平板硫化机,美国RCM公司; ZBET-TC02.00型电子拉力机,德国Zwick/Roell公司; Ⅱ-ShoreA/B/O型硬度计,德国Digi公司; GT-7042-RDH型橡胶回弹测试仪、GT-7012-D型滚筒磨耗实验机、GT-RH-2000型动态压缩生热仪和GT-7060-SA型热空气老化箱,高铁测试有限公司; DSC8500型示差扫描量热(DSC)仪,美国Perkin Elmer公司,测试温度0～80 ℃,升温速率10 ℃/min,N2气氛围; DMA Q800型动态热机械分析(DMA)仪,美国TA公司,拉伸模式,应变为0.1%,频率10 Hz,温度范围为-110～80 ℃,升温速率 为3 ℃/min.
硫芥子气1.2 实验过程
基础配方(质量份): 100份生胶[m(NBR)/m(TBIR)/m(BR)=0/100/0,100/0/0,95/5/0,90/10/0,85/15/0,80/20/0,80/0/20],40份白炭黑(7000GR),4份硅烷偶联剂Si-69,1.5份白炭黑分散剂AR-205,2份防老剂4010NA,2份交联剂DCP,1份助交联剂TAIC. 将橡胶和反式丁戊橡胶置于60 ℃烘箱中1 h后在双辊开炼机上压成厚度为1 mm的胶片. 采用四段混炼工艺制备混炼胶.快装舞台
安全刀具
一段密炼: 密炼机初始温度为70 ℃,转速为70 r/min,填充系数为0.75. 首先,当密炼室温度达到70 ℃后投入生胶,2 min后投入防老剂、白炭黑分散剂和1/2白炭黑及硅烷偶联剂,5 min后投入另外1/2白炭黑和硅烷偶联剂,7 min时打开上顶栓清扫,12 min时排胶[温度为(130±3) ℃],在室温下放置20 min.
二段密炼: 密炼机初始温度为70 ℃,转速为70 r/min,填充系数为0.75. 将一段混炼胶投入密炼机中混炼8 min后排胶,在室温下放置20 min.
三段密炼: 密炼机初始温度为60 ℃,转子转速为30 r/min. 投入二段混炼胶、交联剂和助交联剂,6 min后排胶(温度不超过100 ℃).
四段开炼: 开炼机初始辊温为60 ℃,转速为40 r/min,将密炼的三段母炼胶薄通3次(辊距为1 mm),打三角包6次(辊距为0.3 mm),打卷3次后下片(辊距为1.5 mm),得到白炭黑填充的橡胶纳米复合材料混炼胶.
将上述混炼胶在室温下放置24 h,测试硫化特性参数,测试温度为160 ℃; 将试样最大扭矩的10%和90%所对应的时间分别定义为焦烧时间(t10,min)和工艺正硫化时间(t90,min). 采用平板硫化机制备硫化胶,条件为160 ℃,10 MPa,t90.
参照GB/T 25268-2010[18]标准测试硫化特性,测试条件: 150 ℃,10 MPa,40 min; 参照ASTM D7723[19]标准测试填料分散性; 参照GB/T 528-2009[20]和GB/T 529-2008[21]标准测试拉伸性能及直角撕裂性能; 参照GB/T 531.1-2008[22]标准测试硬度性能; 参照GB/T 1681-2009[23]标准测试回弹性能; 参照GB/T 9867-2008[24]标准测试旋转辊筒式(DIN)耐磨性能,负荷(10±0.2) N,测试温度(23±2) ℃; 压缩生热性能测试: 负载(1.0±0.03) MPa,行程(4.4
5±0.03) mm,测试温度(55±1) ℃,测试时间25 min; 参照GB/T 3512-2001[25]标准测试热空气老化性: 100 ℃,48 h; 参照GB/T 1690-2010[26]标准测试耐油性,测试温度为(70±1.0)℃,时间为72 h; 参照GB/T 7759.1-2015[27]标准测试压缩永久变形,测试温度为100 ℃,时间为72 h,应变25%.
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