金刚石串珠绳锯橡胶配方设计研究初探①

朱飞雷，江文佳，冯跃

（桂林特邦新材料有限公司，广西桂林 541004）

金刚石串珠绳锯橡胶配方设计研究初探①

朱飞雷，江文佳，冯跃

（桂林特邦新材料有限公司，广西桂林 541004）

文章在金刚石串珠绳锯对橡胶材料要求的基础上，从生胶选择、硫化体系、补强填充体系、软化体系，粘合体系等各方面对绳锯橡胶进行了细致的配方设计分析，并对硫化工艺中的常见问题提出了具体解决办法。

金刚石串珠绳锯；橡胶；配方设计；硫化工艺

0 前言

随着金刚石绳锯在石材矿山上的推广应用，橡胶绳锯的使用量急剧增加，其产量也远远超过注塑绳锯。目前，注胶绳锯多采用镀铜钢丝帘线，绳锯的工作特性决定了它对橡胶性能的要求高于汽车轮胎带束层、钢圈胶以及钢帘线骨架材料输送带橡胶，有其自身独特的要求［1］：

（1）与钢丝帘线粘结力要强，绳锯橡胶最大的目的就是把橡胶与钢丝帘线牢固的结合在一起；

（2）有较高的扯断强度，经得起冲击碰撞；

（3）有优良的耐曲折性能，绳锯工作时要承受频繁的弯曲应力，绳锯不仅有周向运动，为防止偏磨还要有自转运动；

（4）较好的耐热性能，绳锯工作时锯切速度较快，摩擦剧烈，升温较快；

（5）较强的耐介质、臭氧、日光紫外线、热氧老化性能，防止橡胶中水溶性物质抽出。

本文从上述性能要求出发，参考相关文献，从生胶选择、硫化体系、补强填充体系、软化体系，粘合体系等各方面进行了细致的配方设计分析，并对绳锯橡胶硫化工艺中的常见问题，提出了具体的解决办法。

1 绳锯橡胶配方设计

1.1 生胶的选择

镀铜钢丝帘线粘合的配方设计，橡胶生胶类型对粘合性能的影响最大。一般来说，粘合性能顺丁橡胶＜丁苯橡胶＜天然橡胶＜氯丁橡胶＜丁腈橡胶，极性越大，粘合性能越高。丁腈橡胶极性高，但为非自补强橡胶，采用硫磺硫化体系扯断强度低，采用过氧化物硫化体系则粘合性能差，且加工较困难。氯丁橡胶虽为自补强性橡胶，但不能采用硫磺硫化体系，硫化速度慢，易焦烧。天然橡胶生胶强度、撕裂强度高，粘合性能较好，且加工性能优良，所以粘合配方设计一般采用天然橡胶，或者为了控制成本和保持老化后的粘合性能采用天然橡胶与少量丁苯橡胶并用的配方，随着NR／SBR并用比的增加，老化前后的钢丝帘线抽出力都比较高［2］。

1.2 补强填充体系和软化体系

补强体系对粘合有一定的影响，选用炭黑时可以了解到：1.炭黑粒度越细，结构度越高，比表面积越大，在胶料中的粘合力越好；2.炭黑表面的活性基团越多，在胶料中的粘合力越好；3.炭黑粒子的硬度越大，在胶料中的粘合力越好［3］。

绳锯橡胶在使用时经受强烈的冲击碰撞，所以宜选用粒度较细的高耐磨炭黑或中超耐磨炭黑，以增加强度；同时因工作特点绳锯橡胶扭曲变形较其他钢丝帘线粘合配方的要大，因此，串珠基体与橡胶结合部位应力集中，需要更高的耐曲折性能，不宜选用太高结构的炭黑；绳锯橡胶多采用平板硫化，为提高生产效率硫化温度一般较高，从工艺安全性的要求出发也不宜选用太高结构的炭黑。综合以上因素绳锯橡胶选用中超耐磨炭黑N220或者高耐磨炭黑N330、N326、N375较好。

选用白炭黑更多的是为增强树脂——钴盐粘合体系，具有协同粘合的作用。但增加白炭黑势必影响焦烧安全性和增加工艺困难度，如果配用偶联剂则将显著减少对粘接力的提高，且会进一步降低焦烧安全性。所以白炭黑用量一般较少，在15份以内［2］。

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软化油有利于提高橡胶加工性能和橡胶向钢丝帘线内部的渗透，但会降低粘结力，且增大橡胶生热。绳锯在工作时摩擦剧烈，无冷却水时升温较快，所以在绳锯橡胶配方中不宜加软化油，或者只为调解硬度、耐曲折性能而加入少量。

1.3 粘合体系

在橡胶中添加粘合增进剂，可大大提高橡胶与钢丝帘线的粘合力，增进剂体系大体分为树脂粘合体系、钴盐粘合体系、树脂与钴盐并用粘合体系三个类型。绳锯橡胶最大的目的就是把橡胶与钢丝帘线牢固地结合在一起，为增强橡胶与钢丝帘线的粘接，采用树脂与钴盐并用，配合白炭黑，即间甲白钴体系效果最好［4］。

间甲树脂一般选用预分散间苯二酚或者预缩合树脂做间苯二酚给予体，预分散的六亚甲基四胺（HMT）或者六甲氧基甲基密胺作为亚甲基给予体，且配比为1∶2时粘结效果较好。

为控制橡胶与黄铜粘合反应中硫化亚铜的生产速率，应当选用合适的有机钴盐，不同的钴盐在橡胶中的溶解度不同，反应活性顺序为：硼酰化钴＞新癸酸钴＞环烷酸钴＞硬质酸钴，硼酰化钴和新癸酸钴中钴含量高，可减少伴生的金属盐类对橡胶的催化老化，且有良好的耐湿热和耐盐水的优点［5］。但无论哪种钴盐都必须严格控制橡胶中金属钴的含量，添加过量钴盐将使粘合反应过度，以致不能或者良好的粘合。

1.4 老化体系

根据绳锯的特点和工作环境，在使用中既有高强度的机械应力扭转作用，又有高温（90℃～100℃）、氧、臭氧（活性高）、日光曝晒（紫外光作用），弱碱性水的浸泡、抽出和溶胀，在这些因素的共同作用下，橡胶性能会急剧变化，与钢丝帘线粘接力会下降，进而产生脱胶和串珠的后果。氧、臭氧可以与橡胶中的橡胶分子中双键发生游离基链锁反应，致使分子链出现过度交联或者断裂；紫外光能释放出巨大的能量，不仅可以使橡胶发生分子链的交联或者断裂，而且还可以致使橡胶出现游离基，导致橡胶出现氧化链反应；活化作用是热对橡胶的主要作用，当温度增到一定的极限时，氧扩散速度提高，致使出现活化氧化反应，因此橡胶氧化反应的速度急剧增加，即热氧老化；当橡胶遭受冷却水的浸泡时，橡胶中的亲水基团与水溶性物质等成分（包括防老剂）被水抽提溶解，在大气曝露以及雨水浸泡的交替作用下，加速橡胶内部结构的破坏；机械扭转应力对橡胶可以反复地发生作用，致使橡胶分子发生链断裂，加速橡胶热氧反应，同时使橡胶物理性能急剧降低［6］。

从整体上来说，绳锯橡胶使用环境苛刻，防老化要求远高于其他粘合配方橡胶制品，宜选用胺类防老剂、喹啉类二者并用，如防老剂RD（防热氧）和防老剂4020（防热氧、曲折、水抽出）并用，同时应加大使用份量。

1.5 硫化体系

关于钢丝帘线与橡胶的粘结机理，一般认为是黄铜镀层中的Cu与橡胶中的S相互结合，在界面形成CuS。橡胶中的S不只参加硫化反应，同时也发生粘合反应，要设法使这两种反应达到同步状态。因此，橡胶中的硫化体系对钢丝帘线和橡胶的粘合性能具有非常重要的影响［7］。

促进剂的选用既要考虑物理性能和粘结性能，又要考虑工艺操作安全性。钢丝粘合配方要求具有一定的焦烧时间，以利于高温硫化和橡胶向钢丝帘线内部渗透，为了获得硫化诱导期长、硫化平坦区宽、开始硫化后能快速达到正硫化点的胶料，一般采用后效性的次磺酰胺类促进剂较好。

为增加导热性和促进剂的溶解度，需加8～10份的氧化锌，为减少酸对钢丝帘线的腐蚀，硬脂酸的用量应在0.5份以下，为适应绳锯橡胶的高温硫化方式，应采用防焦剂。

2 绳锯橡胶配方实例

以下两个配方实例都是以轮胎钢丝胶配方为基础的。轮胎钢丝胶配方是比较传统的钢丝粘合配方，因处于钢圈部位，变形量较小，一般都设计成添加过量的补强剂，甚至过量的硫磺以提高橡胶模量、提高粘结力，这样的配方成本较低，配方简单。

2.1 低硬度配方和性能举例

本配方采用NR／SBR并用生胶体系、粒度较细的高耐磨炭黑、间甲钴粘合体系、后效性的次磺酰胺类促进剂和不溶性硫化的硫化体系。低硬度配方和性能如表1。

表1 低硬度配方和性能Table 1 The low hardness formula and its properties

本配方具有较高的强度、粘接力和优良的耐曲折，耐热性能。适用于切割断面小、弯曲大的普通型金刚石绳锯。

2.2 高硬度配方和性能举例。

在低硬度配方的基础上增加炭黑用量或者增硬树脂以提高橡胶模量，增加硬度。高硬度配方和性能如表2。

表2 高硬度配方和性能Table 2 The high hardness formula and its properties

本配方具有较高的强度，优良的粘接力。适用于切割速度较低的钢混绳锯。

3 绳锯橡胶硫化工艺常见问题及原因分析

3.1 硫化后橡胶不饱满，缺胶

可能的原因及解决的办法：1）橡胶填充不足或者填充不均匀，橡胶填充以合模后有稍许胶料溢出为标准，橡胶在放入模具前应裁剪均匀。2）橡胶与模具预热程度不够或者橡胶门尼粘度太大，造成流动性不好，应当确保模具有足够的预热时间且升温到工艺设定硫化温度。3）橡胶焦烧时间短，在未充满模腔时即已焦烧，应调整配方，或加大防焦剂用量以增加焦烧时间。

3.2 硫化后橡胶与钢丝帘线不粘接

可能的原因及解决的办法：1）钢丝帘线表面受到污染，应加强钢丝帘线流转过程监控，减少污染。2）硫化温度、硫化压力低或硫化时间不足，橡胶与钢丝帘线未反应完全，应确保硫化工艺按要求执行。3）橡胶配方设计不当，粘合体系、硫化体系等不适用，应调整配方。

4 结论与建议

（1）以上配方设计分析和实例表明，绳锯橡胶配方性能要求远高于其他粘合配方，有其自身独特的要求，在配方设计时应加强粘接力、耐曲折、耐热、耐介质性能。

（2）金刚石绳锯在硫化前后流转过程较多，钢丝帘线、串珠、橡胶都有可能出现问题，在生产时应加强过程监控。

鸣谢：本文得到基金项目“金刚石绳锯组锯绳的开发”桂工信投资［2012］297号的资助。

［1］ 吕智，郑超，莫时雄，等.超硬材料工具设计与制造［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［2］ 张丽华，高秀玲，顾宝金，等.镀铜钢丝帘线骨架输送带粘合胶配方的研究［J］.橡胶工业，2010，57（3）：150－154.

［3］ 汪传生，曹爱英，杨世良，等.炭黑硬度对胶料与钢丝帘线粘合力的影响［J］.橡胶工业，2010，57（3）：163－165.

［4］ 朱世强.MgO对普通型钢丝绳输送带钢丝绳芯粘合胶的影响［J］.中国橡胶，2008，24（7）：40－41.

［5］ 中国化工学会橡胶专业委员会组织编写.橡胶助剂手册［M］.北京：化学工业出版社.

［6］ 方强.橡胶的老化现象及防老化措施［J］.科技创新导报，2012，（11）：69.

［7］ 陈国栋，汪传生，梁星宇.硫化体系对胶料与钢丝帘线粘合性能的影响［J］.橡胶工业，2010，57（10）：613－615.

［8］ 杨艳平，姬新生.硫化体系对全钢载重子午线轮胎钢丝粘合胶性能的影响［J］.轮胎工业，2008，28（5）：282－285.

Research on formulation Design of rubber for diamond wire saw

ZHU Fei－lei，JIANG Wen－jia，FENG Yue
（Guilin Tebon Superhard Material Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi 541004，China）

In this paper，based on the requirements of diamond wire saw for the rubber materials，the rubber formulation of the wire saw are Designed and analyzed in detail from the aspects of raw rubber selection，vulcanization system，reinforcement of filling system，soften system and bonding system.It has put forward the solutions to the common problems of vulcanization technology.

diamond wire saw；rubber；formulation Design；vulcanization process

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0017－04

2012－07－10

朱飞雷（1984－），男，江西南城县人，桂林新材料有限公司助理工程师，主要从事金刚石串珠绳锯固定材料配方设计和工艺管理工作。63208016＠99.com