胶料热炼工艺对一种橡胶金属减振关节性能的影响

曹广如，白书欣，程海涛（.国防科学技术大学 航天与材料工程学院，湖南 长沙 40073；.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 4007）



胶料热炼工艺对一种橡胶金属减振关节性能的影响

曹广如1，2，白书欣1，程海涛2
（1.国防科学技术大学 航天与材料工程学院，湖南 长沙 410073；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

以一种橡胶金属减振关节为例，研究了开炼机热炼和螺杆挤出机热炼对产品性能的影响。结果表明，螺杆挤出机热炼工艺可以提高胶料温度，并且胶料的温度稳定性更好；螺杆挤出机热炼工艺产品的硫化程度更均匀，橡胶收缩率更小，刚度稳定性及耐疲劳性能更好。

热炼；减振关节；刚度；耐疲劳性能

0　前　言

在橡胶加工过程中，热炼是混炼胶进入压延、贴合、硫化等后道工序前必经的工艺过程，因此应用面非常广。热炼的目的是使经过长时间停放后的混炼胶重新恢复后续加工过程中不可或缺的热塑性、流动性，从而为成型工艺奠定良好的基础。热炼通常在开炼机上进行［1］。

在橡胶模型制品生产中，平板硫化机由于具有结构简单、压力大、适应性广、设备投资低等特点而被广泛应用。在硫化装模前，胶料通常须使用开炼机进行热炼。而橡胶注射机本身带有的螺杆挤出注射装置也是将胶料进行热炼和塑化，因此使用注射机生产，胶料不再需要经过开炼机的热炼，并且生产的制品还具有性能均匀、稳定等特点［2］。

开炼机热炼在生产过程中具有等待时间长、效率低、噪音大、对操作人员依赖性高、热炼后胶料温度波动大等特点。螺杆挤出注射装置能有效控制热炼温度，并且具有能耗小、占地少、自动化程度高、劳动强度低等特点［3］。

图1　产品结构示意图

本文选取一种橡胶金属减振关节产品，研究了开炼机热炼和从注射机分离出的螺杆挤出机热炼两种工艺对产品尺寸及性能的影响，以期对相关产品生产提供一定的参考。

1　实　验

1.1主要原材料

天然橡胶（NR），海南天然橡胶产业集团股份有限公司产品；炭黑 N330，中橡集团炭黑工业研究设计院炭黑分厂产品；胶粘剂，底胶CH205、面胶CH6108，洛德化学（中国）有限公司产品；产品铁件，自制；其他材料均为市售品。

1.2基本配方

基本配方（单位：份）：NR 100.0，炭黑N330 28.0，硫磺 2.5，促进剂 1.4，氧化锌 10.0，硬脂酸 2.0，防老剂 3.0，软化剂 3.0，其他3.0。

1.3试验设备和仪器

K4密炼机，英国Farrel公司；XK-450开炼机，宜兴阳昇机械有限公司；1000 t平板硫化机，衡阳华谊机械有限公司；Ø75 mm螺杆挤出机，衡阳华谊机械有限公司；CSS-55100电子万能试验机，长春试验机研究所；51Ⅱ型探针温度计，美国FLUKE公司；十二通道疲劳试验机，北京富力通达科技有限公司。

1.4工艺流程及工艺

1.4.1工艺流程

图2　螺杆挤出机示意图

1.4.2热炼工艺

开炼机热炼：胶料停放48 h后，使用开炼机热炼，调整辊距，出片，卷成圆筒，控制下料质量在（2200±10）g。

螺杆挤出机热炼：胶料停放48 h后，使用螺杆挤出机挤出热炼，料筒设定温度为80 ℃，挤出胶料，控制下料质量在（2200±10）g。

1.4.3硫化工艺

产品硫化：采用一模四腔注压模具，使用1000 t平板硫化机进行硫化，将热炼好的胶料放入注胶筒，合模注胶，然后在150 ℃、30 min、600 t的条件下完成硫化成型。

图3　硫化模具示意图

1.5性能测试

溶胀指数测试：按HG/T 3870—2008测试。

产品径向刚度测试：产品径向加载250 kN力，测试20～230 kN间的刚度。

产品疲劳性能测试：在2 Hz的频率下，径向预加载18 kN力，再加载±95 kN力，循环200万次。

其他性能均按相应国家标准进行测试。

2　结果与讨论

2.1不同热炼工艺后胶料温度的对比

使用同一批次胶料，采用开炼机热炼和螺杆挤出机热炼，用探针温度计测量胶料的温度，结果详见图4。

图4　不同热炼工艺后胶料温度对比图

由图4可以看出，开炼机热炼后胶料温度在62.4～85.4 ℃之间，温度极差为23 ℃，波动范围较大；而螺杆挤出机热炼后胶料温度在104.3～109.3 ℃之间，温度极差只有5 ℃，温度波动范围小。相对于传统开炼机热炼，螺杆挤出机热炼胶料的温度提高20%以上。螺杆挤出机热炼后胶料温度提升并且稳定的原因为：螺杆挤出机料筒恒温加热，温度控制稳定；而开炼机辊筒温度本身较低且波动大，热炼过程中受人为操作因素影响也比较大。

2.2不同热炼工艺对产品硫化程度的影响

使用同一批次胶料，分别采用开炼机热炼和螺杆挤出机热炼预成型，装模硫化产品。产品硫化出模后，取其外层和内层橡胶测定溶胀指数，结果详见表1。

表1　热炼工艺对产品硫化程度的影响

由表1可以看出，采用开炼机热炼工艺硫化的产品，其外层和内层橡胶溶胀指数差异较大，并且相对于螺杆挤出机热炼工艺产品，其溶胀指数较大，即交联密度较小。说明螺杆挤出机热炼工艺产品的硫化程度更好，并且内外层硫化程度均一稳定。其原因为：螺杆挤出机热炼的胶料进入模腔的初始温度较高，并且胶料内层也有较高的初始温度，胶料各层都能够较快地进入热硫化阶段；而开炼机热炼预成型的胶料初始温度较低，并且内层胶料相对于外层胶料会较慢进入热硫化阶段，造成各层硫化胶料硫化程度相差较大。

2.3不同热炼工艺对产品尺寸的影响

使用同一批次胶料，分别采用开炼机热炼和螺杆挤出机热炼，装模硫化产品。产品硫化出模后，室温条件下停放24 h后进行产品直径尺寸测量，结果如图5所示。

由图5可以看出，开炼机热炼硫化的产品相对于螺杆挤出机热炼硫化的产品尺寸较小，说明开炼机热炼硫化的产品胶料收缩率较大。这是由于在较高的初始温度下，胶料的流动性更好，热炼后的胶料更容易进入硫化模具的模腔，使产品橡胶部分更密实，出模后收缩率更小。由于螺杆挤出机热炼胶料温度较高，所以其硫化后的产品收缩率更小。

图5　不同热炼工艺产品直径尺寸对比图

2.4不同热炼工艺对产品刚度的影响

使用同一批次胶料，分别采用开炼机热炼和螺杆挤出机热炼，装模硫化产品。产品硫化出模后，室温条件下停放24 h后进行产品径向刚度试验，结果如图6所示。

图6　不同热炼工艺产品径向刚度对比图

由图6可以看出，相对于螺杆挤出机热炼硫化的产品，开炼机热炼硫化产品的径向刚度较小且波动较大，说明开炼机热炼后胶料的温度、产品的硫化程度、产品的直径尺寸对产品径向刚度产生了累积影响。这是由于在较低且波动较大的热炼胶料温度下，产品的硫化程度相对较差且不均匀，导致产品橡胶收缩率较大，直径尺寸较小。在进行径向刚度试验时，产品径向预压缩量较小，因此径向刚度也较小。

2.5不同热炼工艺对产品橡胶/金属粘合性能的影响

分别抽取开炼机热炼和螺杆挤出机热炼硫化后的产品进行轴向破坏试验（见图7），结果见表2。

图7　产品轴向破坏实物图

表2　不同热炼工艺产品粘合性能对比

由表2可以看出，两种热炼工艺产品轴向破坏附胶率都为100%，但螺杆挤出机热炼硫化产品轴向破坏力更大。这是由于螺杆挤出机热炼预成型硫化产品的硫化程度更均匀充分，橡胶部分的撕裂强度更大，抵抗外力破坏的能力更强。

2.6不同热炼工艺对产品疲劳性能的影响

分别取开炼机热炼和螺杆挤出机热炼硫化后的产品进行径向疲劳试验，结果见表3。

表3　不同热炼工艺产品疲劳性能对比

由表3可以看出，螺杆挤出机热炼硫化的产品疲劳刚度变化率明显要小，耐疲劳性能更好，说明采用螺杆挤出机热炼工艺可以改善产品的耐疲劳性能。这也是由于螺杆挤出机热炼工艺硫化的产品，其橡胶部分硫化程度更均匀所致，其在疲劳过程中橡胶分子链发生断裂的可能性更低。

3　结　论

（1）相对于开炼机热炼胶料，螺杆挤出机热炼胶料可以明显提高胶料温度，并且胶料的温度稳定性更好。

（2）相对于开炼机热炼胶料硫化产品，采用螺杆挤出机热炼的胶料硫化程度更均匀，并且收缩率更小、产品刚度更大，刚度稳定性以及疲劳性能更好。

Keуwords: Thermal Re fi ning； Damping Joint； Stiffness； Fatigue Performance

［1］杨清芝.现代橡胶工艺学［M］.北京：化学工业出版社，2012：364-369.

［2］杨顺根，白仲元.橡胶工业手册修订版（第九分册 下册）［M］.北京：化学工业出版社，1994：828-876.

［3］王宏训，邵森，王善河，单鹏.销钉机筒冷喂料挤出机在压延生产线上的应用［J］.轮胎工业，2005，25（7）：422-423.

［责任编辑：朱 胤］

Еffects of Rubber Тhermal Re fi ning Process on the Properties of A Metal-Rubber Damping Joint

Cao Guangru1，2，Bai Shuxin1，Cheng Haitao2
（1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China； 2.Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou 412007，China）

Taking a metal-rubber damping joint as an example，the effects of open mixer thermal re fi ning and screw extruder thermal re fi ning on the properties of the product was studied.The results showed that the screw extruder thermal re fi ning process can improve the rubber temperature and the rubber temperature stability.The cure degree of the product was more uniform，the rubber shrinkage was smaller，the stiffness stability and the fatigue performance was better.

TQ 336.4+2

A

1671-8232（2016）04-0024-04

曹广如（1984— ），男，山东临沂人，工程师，国防科技大学在读工程硕士研究生，主要从事橡胶减振制品的工艺研究和工艺管理工作。

2016-01-06