全钢胎面胶料配方齿轮式滤胶的实验研究

隋志华，唐绍书，张萌，叶旺，汪传生，边慧光

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061)

滤胶机[1]作为高品质胶料挤出成型工艺中的最终环节，能够过滤混炼过程中混入的杂质，再次分散小料，细化胶料，精细滤胶且对胶料的分子链有一定的取向作用，与未过滤的胶料相比，能很好的提升胶料质量，在对胶料要性能一定要求的领域，滤胶机一直发挥着举足轻重的作用,滤胶机分为螺杆式滤胶机[2]和齿轮[4]。且有大量的科研人员从各个方面研究齿轮泵,如齿轮泵优化设计[5], 齿轮泵的噪声控制技术[6]这些均表明齿轮泵式滤胶机的发展前景较为广阔。

本文利用自主研发的双驱同步橡胶齿轮泵式滤胶机来过滤全钢胎面胶料，研究双驱同步橡胶齿轮泵式滤胶机对胶料的过滤作用，并探究最佳的过滤目数。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶 泰国产小三号烟胶，炭黑N330 卡博特（中国）化学有限公司，氧化锌ZnO、促进剂CZ 阿拉丁试剂（上海）有限公司，硬脂酸SAD 国药集团化学试剂有限公司，防老剂RD 山东瑞祺化工有限公司，增塑剂A 、硫磺S 巴斯夫（中国）有限公司，滤网 国标304不锈钢工业筛网 上海嘉羽五金筛网。

1.2 配方

天然橡胶 100，炭黑N330 53.5，氧化锌ZnO 3.5,硬脂酸SAD 2，防老剂RD 1.5，增塑剂A 2，增塑剂DPHP 1.5,促进剂CZ 1，硫磺S 1.4。

1.3 主要设备和仪器

双驱同步橡胶齿轮泵式滤胶机 青岛科技大学，密炼机X（s）0.3 青岛科技大学，开炼机SK-168 上海双翼橡胶机械厂，无转子流变仪 MM4130C 高铁科技股份有限公司，门尼黏度仪 UM-2050 优肯科技股份有限公司，橡胶动态加工分析仪 RPA2000,动态热机械分析仪 GABOMETER-150 德国GABO公司，平板硫化剂 QLB-400X400X2 青岛亚东橡胶机械厂，橡胶硬度计 LX-A 上海六菱仪器厂，橡胶厚度计 TCN3-JSC-10 北京中西远大科技有限公司，拉力试验机 TS2005b 优肯科技股份有限公司，DIN磨耗试验机 GT-2012-D 高铁科技股份有限公司。

1.4 试样制备

一段混炼在密炼机上进行，冷却水温度为50 ℃，转速70 r/min，填充系数为0.65，上顶栓压力为0.65 MPa[7]。具体混炼工艺如下：加入天然橡胶，混炼40 s后加入一半炭黑，混炼30 s后同时加入氧化锌ZnO、硬脂酸SAD、防老剂RD、增塑剂A和增塑剂DPHP塑炼30 s，最后加入剩余一半炭黑，再次混炼，当密炼室温度为155 ℃时提栓，排胶。

二段混炼在开炼机上进行，对混炼胶进行补充混炼，辊温为（50±5）℃。具体混炼工艺如下：加入一段混炼后的母炼胶，在母炼胶中均匀加入促进剂CZ和硫磺S，在最小辊距下进行压延，薄通五次后，将辊距调为4 mm左右下片[7]。

胶料停放24 h后，将胶料裁剪成宽为5 cm左右的胶条于双驱同步橡胶齿轮泵式滤胶机中挤出，其中螺杆转速为30 r/min，齿轮泵转速为25 r/min，机筒温度为80 ℃[8]。

胶料滤出之后再次停放24 h，后将胶片硫化，硫化温度设定为150 ℃，硫化压力设定为10 MPa。

1.5 性能测试

1.5.1 门尼黏度测试

测试标准为GB/T 1232.1—2000，利用专用的裁刀裁剪试样后放入UM-2050型门尼黏度仪模腔中进行测试，设备温度到达设定温度后进行测试，实验进行三次，取其平均值。

1.5.2 硫化特性测试

测试标准为GB/T 16584—1996。设定无转子流变仪测试时间60 min，测试温度150 ℃，转动角度为0.5°。取混炼胶放入无转子流变仪模腔中进行测试。

1.5.3 动态力学性能测试

测试方法为：应变扫描温度为60 ℃，应变扫面频率为0.01 Hz，应变范围0.28%~50%。取混炼胶放入RPA2000橡胶加工分析仪模腔中进行测试，每组试样进行三次实验，取其中值。

1.5.4 力学性能测试

测试标准为GB/T 528—1998。每组试样测试五次，取其平均值。

1.5.5 动态黏弹性测试

温度扫描时采用拉伸模式，扫描频率为10 Hz，扫描时静态应变为5%，静态应力为70 N，动态应变为0.25%，动态应力为60 N，温度范围为-65 ~65 ℃，升温速率为2 ℃/min。将试样放入GABOMETER-150型动态热机械分析仪模腔中进行测试。

1.5.6 硬度测试

测试标准为GB/T 231.1—2008，测试方法为国际硬度计法：测选取两个位置相距6 mm以上的点的硬度值，测量五次选取平均值。

1.5.7 回弹测试

测试标准为GB/T 1681—1991。测试温度条件设置为20 ℃。测试三次取平均值。

1.5.8 磨耗测试

测试标准为GB/T 9867—1988。测试三次取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 硫化性能

焦烧时间t10过短，硫化起步快，产品的性能差，易于焦烧，且操作安全性差。经过滤网过滤后的胶料的焦烧时间均增加，这说明螺杆和齿轮的剪切作用以及滤网的过滤作用起到了良好的分散作用，促进剂分散更加均匀，发挥出更大的作用。从表1可以看出，随着滤网目数的增加，焦烧时间出现先增加后减小的趋势，当滤网目数为150目时，焦烧时间最长，因为随着滤网的目数增加，一些较大的小料颗粒会过滤掉，且小料相对越细，胶料内小料的份数分散越加均匀，与橡胶结合的也越好。但是滤网目数越高，滤除的填料和小料越多，与橡胶结合的也越差，焦烧时间相对缩短。

表1 滤网目数对胎面胶的硫化特性参数的影响

t90代表胶料达到正硫化时间，t90越小，胶料的硫化时间越短，即硫化反应速度越快，从图 2中可以看出，随着滤网目数的增加，t90出现先增加后减小的趋势，当滤网目数为150目时，t90最小，此时胶料的硫化反应最快，获取最佳性能所需时间最短。这说明滤网细化后的胶料，更好的分散了填料与小料，加速胶料共价键网络的生成，目数越大的滤网，由于较强的过滤能力，对一些较大颗粒填料和小料也过滤出胶料，其相对减少，导致形成交联网络的时间增长。

MH和ML代表胶料在硫化过程中的最高转矩和最低转矩，在一定程度上，MH值越大，硬度越高，定伸强度越大，ML表征的是胶料的流动性，ML值越小，胶料的流动性越好，MH-ML的差值即最大转矩值与最小转矩值的差值可以表征胶料的交联密度，差值越大，胶料的交联密度越大[9]。从图 2可以看出，随着滤网目数的增加，MH-ML值出现先增加后减小的趋势，当滤网目数为150目时，MH-ML值最大，此时硫化胶的交联密度最大，交联程度最高。表明滤网对胶料原有混乱的分子链进行排列，有助于交联网络的形成，目数高，过滤能力强的滤网由于其对填料和小料颗粒滤出较多，导致胶料交联网络较少。

2.2 物理性能

由表2可以看出，经过过滤后的胎面胶胶料的力学性能有着显著的提高。并且随着滤网目数的增加，胶料的邵尔A型硬度、100%定伸应力，300%定伸应力、撕裂强度都呈先增加后减小的趋势。

这说明，滤网能够很好的细化胶料，滤网提供的阻力创造了胶料承受持续应力的条件，在齿轮泵对胶料的挤压产生了应力，应力将大量的分子链段取向挤压成为整条分子链的取向，分子链之间的位置发生改变，在挤压中，更多的分子链相互连接，形成更多的分子网络，材料因此进一步的强化[10]。但提升作用并不是无限增大的。这是因为过高目数的滤网更加细化，胶料流经时所受阻力增加，造成局部紊流，胶料质量提升效果受到限制。

当滤网目数为150目时，胎面胶的拉伸强度达到23.21 MPa、撕裂强度达到60.37 kN.m-1。当滤网目数继续增大时，拉伸强度、撕裂强度与最高的强度比有所下降，但相对于未过滤的胶料，高目数的滤网过滤后的胶料拉伸强度仍较高。

胎面胶的断裂伸长率呈现先增加后降低的趋势，这是因为目数越高的滤网一定程度降低了天然橡胶分子链及链段的相对运动，所以天然橡胶分子链和链段的变形能力也有一定降低，从而使胎面胶的断裂伸长率呈现先升高后降低的趋势。

由图3(e)可以看出过滤后的胶料的回弹性能普遍好于未过滤的胶料，这是因为，过滤使得胶料细化，胶料间的空隙减少，回弹性能提升。随着滤网目数的增加，橡胶试样的回弹性能呈现出先增大后减小的趋势。当滤网目数为150目时，胶料的回弹性能最佳，由于目数高的滤网有较强的过滤能力，对胶料内的网络也会起到一定的排序，胶料的分子链网络规整，但是填料与小料较少，形成的网络少，回弹性相对也较差，所以会导致高目数过滤下的胶料回弹性相对目数低的较差。

由图3(f)可以看出过滤后的胶料的耐磨性能普遍好于未过滤的胶料，且随着滤网目数的增加，橡胶试样的耐磨性能呈现出先增大后减小的趋势。当滤网目数为150目时，胶料的耐磨性能最佳。这是因为过滤细化后的胶料分子柔顺性好，胶料内的网络更加致密且胶料内的气泡少，有助于降低胶料的磨耗，但是目数越高，过滤出的填料颗粒越多，交联网络越少，链段更加容易运动，分子链柔顺性下降，耐磨性能变差。

2.3 动态力学性能

如图4所示，可以看出，过滤后的胶料形成的填料网络比未过滤的胶料的填料网络更加发达。随着应变的增大，胶料的弹性模量G'呈下降趋势，这一结果符合Payne效应。同时随着滤网目数的增加，胶料的初始弹性模量增大，且随着滤网目数的增加，胶料弹性模量下降趋势越来越大，也就是说△G'的值增大。这说明随着滤网目数的增加，胶料的Payne效应更加明显，填料网络化程度更高。

2.4 动态黏弹性能

动态黏弹性是指材料在复合交变作用下产生的力学响应，复合交变不仅包括力的变化还包括温度和形变频率的变化，力学响应是指针对这种变化所作出的反应能力。橡胶是一种应用比较广泛的高弹性材料，它也有诸如以下的高弹态特征比如在不同的力或者温度的作用下，其本身会表现与普通情况下不同的状态，例如玻璃化转变温度、黏流温度、结晶-非结晶转变等[8]。

图5 为滤网目数对胎面胶的动态黏弹性能的影响。

动态热机械分析仪可以进行这项实验，并给出储能模量G'、损耗模量G"以及二者的比值损耗因子tanδ的变化趋势。损耗因子tanδ表征了外力对胶料做功时，胶料产生的热量内损，是硫化胶的重要参数之一。

图5(a)是不同温度下动态黏弹性曲线；图5(b)各曲线的tanδ的峰值代表不同滤网目数下胶料的玻璃化转变温度(Tg)；玻璃化转变温度是分子链段能自由活动的最低温度，达到这一温度后，高分子由玻璃态转变为高弹态，因此玻璃化转变温度是高分子运动转变的宏观体现，当温度由低变高并通过这一温度时，材料内部高分子结构形态发生改变，黏弹性随之变化。较高的玻璃化转变温度意味着填料和胶料基体的结合更好，需要较高的温度才能使得橡胶分子链参与到链段松弛的过程中，让分子链的结构状态改变。根据图5(b)，滤网目数为150目时，tanδ峰值最高，玻璃化转变温度最高，这说明过滤后的胶料其链段尺寸较小，容易运动，再者是过滤后的胶料分子间作用力降低，胶料内网络柔顺性提高，所以胶料的玻璃化转变温度降低。

图5(c)表示的是在-20~20 ℃区间tanδ的变化趋势。0 ℃时的tanδ值可以用来表征材料的抗湿滑性能，这一温度的tanδ值有一个较高的滞后损失就证明胶料的抗湿滑性能较好，由图5(c)可知，当滤网目数为60目时，胶料的抗湿滑性能达到最佳，因为滤网目数小，对胶料的过滤能力相对较差,胶料的表面就相对粗糙，所以它有一个高的滞后损失。

图5(d)表示的是在40~65 ℃区间tanδ的变化趋势，60 ℃时的 tanδ值可以用来表征材料的滚动阻力，这一温度的tanδ值有一个较低的滞后损失就证明胶料的滚动阻力较好，由图5(d)可知，当滤网目数为150目时，胶料的滚动阻力达到最佳。这说明胶料在经滤网细化后，胶料的分子链柔顺性好，滞后产生的力学损耗降低，所以有低的滚动阻力和生热表现。

3 结论

（1） 双驱同步橡胶齿轮泵式滤胶机能够很好的过滤全钢胎面胶料,可以为橡胶的挤出成型应用提供相关技术支持。

（2） 在不同滤网目数下，因为对胶料的细化程度不同，胶料性能提升的程度也不同。当滤网目数为150目时，回弹，磨耗性能提升的幅度最大。