温度和停放时间对氯丁橡胶黏合性能的影响

2018-03-15 01:59吴明生

弹性体 2018年1期

李楠，吴明生

(青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛 266042)

空气弹簧自诞生之日起，人们就一直努力提高其使用寿命，而气囊是其主要影响因素[1-5]。由于氯丁橡胶(CR)具有优异的耐老化性能，因此空气弹簧通常使用CR作为橡胶基体，以提高气囊使用寿命。本文研究了温度和停放时间对CR胶片黏合性能的影响，即对空气弹簧气囊黏合性能的影响，为延长空气弹簧的使用寿命提供参考[6-10]。

1 实验部分

1.1 原料

CR：牌号S-40V，日本电气化学公司；炭黑：N330、N774，陕西黑猫炭黑公司；氧化镁：莱阳经济技术开发区精细化工厂；全精炼蜡58号、Antilux654、PE wax 617、硬脂酸、防老剂A、芳烃油均为工业市售品。

1.2 仪器及设备

DGG-9053A型电热恒湿鼓风干燥箱：上海森信实验仪器有限公司；SK-160B型双辊开炼机：上海橡胶机械厂；GT-M2000-A型密闭模无转子硫化仪：台湾高铁科技股份有限公司；HS-100T-RTMO型平板硫化机：深圳佳鑫电子设备科技有限公司；尼康SMZ1500体视显微镜：苏州欧米特光电科技有限公司；JSM7500F扫描电镜：日本JEOL公司；AT-7000M电子拉力试验机：台湾高铁科技股份有限公司。

1.3 实验配方

实验配方(质量份)为：CR 100，氧化锌 5，氧化镁 4，硬脂酸 0.8，防老剂A 3，N330 30，N774 23，全精炼蜡58号 1，Antilux654 1.5，PE wax617 1，芳烃油 10。

1.4 混炼胶制备

采用双辊筒开炼机制备CR混炼胶，首先在开炼机上加入CR，待胶料包辊后，依次加入小料氧化镁、硬脂酸、全精炼蜡、Antilux654、PE wax617、芳烃油、防老剂A，混炼均匀后，加入炭黑，左右割胶各5次，混炼均匀后加入氧化锌，调整辊距为最小，打三角包6次，然后下片。

1.5 硫化胶的制备与剥离

为了考察不同停放温度下，停放时间对硫化胶黏合性能的影响，确定26 ℃、40 ℃停放温度下的实验方案：(1)1#试样室温存放1 d；(2)2#试样室温存放2 d；(3)3#试样室温存放3 d；(4)4#试样室温存放6 d；(5)5#试样室温存放12 d。本实验采用的方法是对定宽定长的两试片均匀施加一定的负荷，然后在恒定剥离速度下测定剥离强度。

(1) 取胶料，用开炼机以1∶1速比压成1.0 mm厚度胶片，一面用0.2 mm聚乙烯膜作为保护层，另一面作为硫化粘贴面向上放置在密闭容器中以防止表面污染。

(2) 分别按预定方案处理后,将上述停放条件下的胶片裁成5组长11.3 cm、宽8.2 cm的试样，将两胶片黏合面间夹一长为9 cm、宽为5 cm的聚乙烯薄膜，该长方形薄膜隔离部分即为剥离实验夹具夹持部分。硫化后将胶片用气压自动切片机裁切成长为11.3 cm、宽为2.7 cm的待测试样，在拉力实验机上以50 mm/min的速度剥离。

1.6 分析测试

(1) 伸张疲劳性能：按照GB/T 1688—2008进行测试，拉伸比为100%，拉伸频率为300次/min。

(2) 剥离性能：采用拉力试验机以50 mm/min的速度将接触面积恒定为150 mm×25 mm的混炼胶片进行剥离，测其剥离力大小。

(3) 体视显微镜分析：对在规定条件下处理后的混炼胶片进行观察，放大倍数分别为20倍、80倍。

(4) 扫描电镜分析：采用扫描电镜对原料蜡迁移形成的蜡膜表面形貌进行观察，实验之前样片表面需要喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 停放温度对硫化胶自黏性的影响

图1是不同停放温度对CR硫化胶剥离强度的影响。由图1可知，混炼胶片停放一段时间后硫化，硫化后胶片间的剥离强度呈现先增大后减小的趋势。在26 ℃下停放2 d时，2#试样的剥离强度最大，为146.4 N。3#、4#、5#试样剥离强度逐渐降低，分别为142.3 N、131.7 N、120.8 N。这主要是由于胶料中起防护作用的石蜡析出所致，随着停放时间的延长，防护蜡在橡胶中的溶解度减小，会大量迁移到混炼胶表面，在表面析出的石蜡会影响胶片进一步黏合。2#试样剥离强度大于1#试样，分析认为，石蜡析出需要一定的时间，并且适当的停放时间有利于减小胶料的收缩率，有利于胶料性能的均匀和稳定，还能使胶料中的应力得到松弛。从40 ℃与26 ℃停放温度曲线对比可以非常地明显看到，40 ℃曲线一直在26 ℃曲线上方运行，并且两条曲线没有任何交叉。说明在50 ℃停放条件下，硫化胶的黏合性能优于26 ℃停放条件下的硫化胶。高温停放有利于提高CR橡胶硫化后胶片间的黏合力。

配方图1 温度对硫化胶自黏性的影响

2.2 停放温度对伸张疲劳性能的影响

图2为在26 ℃以及40 ℃条件下停放的混炼胶试样硫化后的伸张疲劳性能。

配方图2 温度对硫化胶伸张疲劳性能的影响

从图2可以发现,随着停放时间延长，硫化胶的耐伸张疲劳性能呈现山峰型趋势，26 ℃与40 ℃下最佳停放时间为2 d，此时2#试样耐伸张疲劳性最好，耐伸张疲劳次数分别约为110万次、136万次。停放温度为26 ℃时，3#、4#、5#试样耐疲劳性变差，依次为100.67万次、98.97万次、88.32万次。1#试样耐伸张疲劳性最差，约为85万次；在40 ℃时3#、4#、5#试样耐疲劳性同样依次变差，分别约为132万次、127万次、128万次。从图2还可以看出，40 ℃停放的胶料比26 ℃下停放的胶料耐疲劳性能要好，说明添加多组分石蜡的CR混炼胶在40 ℃高温下停放有利于CR的硫化。这是由于高温有利于石蜡等多组分在混炼胶中溶解，在较高温度下CR中的石蜡虽然也会随着时间的增加而析出，但与26 ℃相比，40 ℃下混炼胶中即使有石蜡组分析出在橡胶表面，但析出量小。混炼胶在26 ℃与40 ℃下最佳停放时间为2 d，停放时间过长，胶料内部配合助剂析出量增大，从而影响胶料间的黏合，减小产品的使用寿命。

2.3 体式显微镜分析

图3为26 ℃下，停放1 d、3 d、12 d的硫化胶断面。从图3可以清楚地看到，在胶片中间会有明显的条带状，在这层带状上有很多点、块状白色物质生成，并且这些物质只在硫化胶中间附近生成。原因为在CR混炼胶停放过程中，橡胶中助剂由于在橡胶内外的溶解度不同，且橡胶外溶解度大于橡胶内部溶解度所致，橡胶助剂在浓度梯度的作用下发生迁移运动，在橡胶表面形成大部分结晶状物质，在之后的硫化过程中，CR混炼胶在平板硫化机中受到10 MPa压力的挤压发生硫化，两混炼胶胶片贴合接触部位在大压力下产生塑性流动相互渗透，但由于在停放过程中有石蜡的析出，所以在胶片中间黏合部位会有大量石蜡生成，从而影响胶片黏合性能。从图3可以看到，该中间条状部分中析出物随着停放时间的延长而增多，大量白色物质在12 d的硫化胶片中间部位生成。从图3(a)还可以看到，在橡胶中间部分有少量白色物质生成，橡胶断面整体比较光滑平整，无明显缺陷。而从图3(c)和(d)不仅能够看到中间部位有白色物质聚集，还发现中间偏下部位出现一个沿两胶片贴合方向的裂痕，并且还在裂痕周围有大块的白色析出物质。这是由于混炼胶低温停放，橡胶内部石蜡的析出速度过快，在外表面界面处形成大块析出物质，而非形成一层，橡胶表面处形成的大块物质在橡胶硫化过程两个胶片黏贴过程中，被两个胶片所包覆，在硫化过程中，10 MPa压力下两个混炼胶片间发生相互挤压、渗透，在160 ℃硫化时，被橡胶包覆的析出物质经历先溶解后凝结的过程，会在橡胶中形成应力集中点或者空穴结构，如图3(d)所示，在橡胶中间偏下部位就形成了该种空穴结构。