全鋼胎面膠料配方齒輪式濾膠的實驗研究

隋志華，唐紹書，張萌，葉旺，汪傳生，邊慧光

（青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

濾膠機[1]作為高品質(zhì)膠料擠出成型工藝中的最終環(huán)節(jié)，能夠過濾混煉過程中混入的雜質(zhì)，再次分散小料，細化膠料，精細濾膠且對膠料的分子鏈有一定的取向作用，與未過濾的膠料相比，能很好的提升膠料質(zhì)量，在對膠料要性能一定要求的領(lǐng)域，濾膠機一直發(fā)揮著舉足輕重的作用,濾膠機分為螺桿式濾膠機[2]和齒輪[4]。且有大量的科研人員從各個方面研究齒輪泵,如齒輪泵優(yōu)化設(shè)計[5], 齒輪泵的噪聲控制技術(shù)[6]這些均表明齒輪泵式濾膠機的發(fā)展前景較為廣闊。

本文利用自主研發(fā)的雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機來過濾全鋼胎面膠料，研究雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機對膠料的過濾作用，并探究最佳的過濾目數(shù)。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠 泰國產(chǎn)小三號煙膠，炭黑N330 卡博特（中國）化學(xué)有限公司，氧化鋅ZnO、促進劑CZ 阿拉丁試劑（上海）有限公司，硬脂酸SAD 國藥集團化學(xué)試劑有限公司，防老劑RD 山東瑞祺化工有限公司，增塑劑A 、硫磺S 巴斯夫（中國）有限公司，濾網(wǎng) 國標(biāo)304不銹鋼工業(yè)篩網(wǎng) 上海嘉羽五金篩網(wǎng)。

1.2 配方

天然橡膠 100，炭黑N330 53.5，氧化鋅ZnO 3.5,硬脂酸SAD 2，防老劑RD 1.5，增塑劑A 2，增塑劑DPHP 1.5,促進劑CZ 1，硫磺S 1.4。

1.3 主要設(shè)備和儀器

雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機 青島科技大學(xué)，密煉機X（s）0.3 青島科技大學(xué)，開煉機SK-168 上海雙翼橡膠機械廠，無轉(zhuǎn)子流變儀 MM4130C 高鐵科技股份有限公司，門尼黏度儀 UM-2050 優(yōu)肯科技股份有限公司，橡膠動態(tài)加工分析儀 RPA2000,動態(tài)熱機械分析儀 GABOMETER-150 德國GABO公司，平板硫化劑 QLB-400X400X2 青島亞東橡膠機械廠，橡膠硬度計 LX-A 上海六菱儀器廠，橡膠厚度計 TCN3-JSC-10 北京中西遠大科技有限公司，拉力試驗機 TS2005b 優(yōu)肯科技股份有限公司，DIN磨耗試驗機 GT-2012-D 高鐵科技股份有限公司。

1.4 試樣制備

一段混煉在密煉機上進行，冷卻水溫度為50 ℃，轉(zhuǎn)速70 r/min，填充系數(shù)為0.65，上頂栓壓力為0.65 MPa[7]。具體混煉工藝如下：加入天然橡膠，混煉40 s后加入一半炭黑，混煉30 s后同時加入氧化鋅ZnO、硬脂酸SAD、防老劑RD、增塑劑A和增塑劑DPHP塑煉30 s，最后加入剩余一半炭黑，再次混煉，當(dāng)密煉室溫度為155 ℃時提栓，排膠。

二段混煉在開煉機上進行，對混煉膠進行補充混煉，輥溫為（50±5）℃。具體混煉工藝如下：加入一段混煉后的母煉膠，在母煉膠中均勻加入促進劑CZ和硫磺S，在最小輥距下進行壓延，薄通五次后，將輥距調(diào)為4 mm左右下片[7]。

膠料停放24 h后，將膠料裁剪成寬為5 cm左右的膠條于雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機中擠出，其中螺桿轉(zhuǎn)速為30 r/min，齒輪泵轉(zhuǎn)速為25 r/min，機筒溫度為80 ℃[8]。

膠料濾出之后再次停放24 h，后將膠片硫化，硫化溫度設(shè)定為150 ℃，硫化壓力設(shè)定為10 MPa。

1.5 性能測試

1.5.1 門尼黏度測試

測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1232.1—2000，利用專用的裁刀裁剪試樣后放入UM-2050型門尼黏度儀模腔中進行測試，設(shè)備溫度到達設(shè)定溫度后進行測試，實驗進行三次，取其平均值。

1.5.2 硫化特性測試

測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 16584—1996。設(shè)定無轉(zhuǎn)子流變儀測試時間60 min，測試溫度150 ℃，轉(zhuǎn)動角度為0.5°。取混煉膠放入無轉(zhuǎn)子流變儀模腔中進行測試。

1.5.3 動態(tài)力學(xué)性能測試

測試方法為：應(yīng)變掃描溫度為60 ℃，應(yīng)變掃面頻率為0.01 Hz，應(yīng)變范圍0.28%~50%。取混煉膠放入RPA2000橡膠加工分析儀模腔中進行測試，每組試樣進行三次實驗，取其中值。

1.5.4 力學(xué)性能測試

測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 528—1998。每組試樣測試五次，取其平均值。

1.5.5 動態(tài)黏彈性測試

溫度掃描時采用拉伸模式，掃描頻率為10 Hz，掃描時靜態(tài)應(yīng)變?yōu)?%，靜態(tài)應(yīng)力為70 N，動態(tài)應(yīng)變?yōu)?.25%，動態(tài)應(yīng)力為60 N，溫度范圍為-65 ~65 ℃，升溫速率為2 ℃/min。將試樣放入GABOMETER-150型動態(tài)熱機械分析儀模腔中進行測試。

1.5.6 硬度測試

測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1—2008，測試方法為國際硬度計法：測選取兩個位置相距6 mm以上的點的硬度值，測量五次選取平均值。

1.5.7 回彈測試

測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1681—1991。測試溫度條件設(shè)置為20 ℃。測試三次取平均值。

1.5.8 磨耗測試

測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9867—1988。測試三次取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化性能

焦燒時間t10過短，硫化起步快，產(chǎn)品的性能差，易于焦燒，且操作安全性差。經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后的膠料的焦燒時間均增加，這說明螺桿和齒輪的剪切作用以及濾網(wǎng)的過濾作用起到了良好的分散作用，促進劑分散更加均勻，發(fā)揮出更大的作用。從表1可以看出，隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，焦燒時間出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，焦燒時間最長，因為隨著濾網(wǎng)的目數(shù)增加，一些較大的小料顆粒會過濾掉，且小料相對越細，膠料內(nèi)小料的份數(shù)分散越加均勻，與橡膠結(jié)合的也越好。但是濾網(wǎng)目數(shù)越高，濾除的填料和小料越多，與橡膠結(jié)合的也越差，焦燒時間相對縮短。

表1 濾網(wǎng)目數(shù)對胎面膠的硫化特性參數(shù)的影響

t90代表膠料達到正硫化時間，t90越小，膠料的硫化時間越短，即硫化反應(yīng)速度越快，從圖 2中可以看出，隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，t90出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，t90最小，此時膠料的硫化反應(yīng)最快，獲取最佳性能所需時間最短。這說明濾網(wǎng)細化后的膠料，更好的分散了填料與小料，加速膠料共價鍵網(wǎng)絡(luò)的生成，目數(shù)越大的濾網(wǎng)，由于較強的過濾能力，對一些較大顆粒填料和小料也過濾出膠料，其相對減少，導(dǎo)致形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的時間增長。

MH和ML代表膠料在硫化過程中的最高轉(zhuǎn)矩和最低轉(zhuǎn)矩，在一定程度上，MH值越大，硬度越高，定伸強度越大，ML表征的是膠料的流動性，ML值越小，膠料的流動性越好，MH-ML的差值即最大轉(zhuǎn)矩值與最小轉(zhuǎn)矩值的差值可以表征膠料的交聯(lián)密度，差值越大，膠料的交聯(lián)密度越大[9]。從圖 2可以看出，隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，MH-ML值出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，MH-ML值最大，此時硫化膠的交聯(lián)密度最大，交聯(lián)程度最高。表明濾網(wǎng)對膠料原有混亂的分子鏈進行排列，有助于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成，目數(shù)高，過濾能力強的濾網(wǎng)由于其對填料和小料顆粒濾出較多，導(dǎo)致膠料交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)較少。

2.2 物理性能

由表2可以看出，經(jīng)過過濾后的胎面膠膠料的力學(xué)性能有著顯著的提高。并且隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，膠料的邵爾A型硬度、100%定伸應(yīng)力，300%定伸應(yīng)力、撕裂強度都呈先增加后減小的趨勢。

這說明，濾網(wǎng)能夠很好的細化膠料，濾網(wǎng)提供的阻力創(chuàng)造了膠料承受持續(xù)應(yīng)力的條件，在齒輪泵對膠料的擠壓產(chǎn)生了應(yīng)力，應(yīng)力將大量的分子鏈段取向擠壓成為整條分子鏈的取向，分子鏈之間的位置發(fā)生改變，在擠壓中，更多的分子鏈相互連接，形成更多的分子網(wǎng)絡(luò)，材料因此進一步的強化[10]。但提升作用并不是無限增大的。這是因為過高目數(shù)的濾網(wǎng)更加細化，膠料流經(jīng)時所受阻力增加，造成局部紊流，膠料質(zhì)量提升效果受到限制。

當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，胎面膠的拉伸強度達到23.21 MPa、撕裂強度達到60.37 kN.m-1。當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)繼續(xù)增大時，拉伸強度、撕裂強度與最高的強度比有所下降，但相對于未過濾的膠料，高目數(shù)的濾網(wǎng)過濾后的膠料拉伸強度仍較高。

胎面膠的斷裂伸長率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這是因為目數(shù)越高的濾網(wǎng)一定程度降低了天然橡膠分子鏈及鏈段的相對運動，所以天然橡膠分子鏈和鏈段的變形能力也有一定降低，從而使胎面膠的斷裂伸長率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

由圖3(e)可以看出過濾后的膠料的回彈性能普遍好于未過濾的膠料，這是因為，過濾使得膠料細化，膠料間的空隙減少，回彈性能提升。隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，橡膠試樣的回彈性能呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，膠料的回彈性能最佳，由于目數(shù)高的濾網(wǎng)有較強的過濾能力，對膠料內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)也會起到一定的排序，膠料的分子鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)整，但是填料與小料較少，形成的網(wǎng)絡(luò)少，回彈性相對也較差，所以會導(dǎo)致高目數(shù)過濾下的膠料回彈性相對目數(shù)低的較差。

由圖3(f)可以看出過濾后的膠料的耐磨性能普遍好于未過濾的膠料，且隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，橡膠試樣的耐磨性能呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，膠料的耐磨性能最佳。這是因為過濾細化后的膠料分子柔順性好，膠料內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)更加致密且膠料內(nèi)的氣泡少，有助于降低膠料的磨耗，但是目數(shù)越高，過濾出的填料顆粒越多，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)越少，鏈段更加容易運動，分子鏈柔順性下降，耐磨性能變差。

2.3 動態(tài)力學(xué)性能

如圖4所示，可以看出，過濾后的膠料形成的填料網(wǎng)絡(luò)比未過濾的膠料的填料網(wǎng)絡(luò)更加發(fā)達。隨著應(yīng)變的增大，膠料的彈性模量G'呈下降趨勢，這一結(jié)果符合Payne效應(yīng)。同時隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，膠料的初始彈性模量增大，且隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，膠料彈性模量下降趨勢越來越大，也就是說△G'的值增大。這說明隨著濾網(wǎng)目數(shù)的增加，膠料的Payne效應(yīng)更加明顯，填料網(wǎng)絡(luò)化程度更高。

2.4 動態(tài)黏彈性能

動態(tài)黏彈性是指材料在復(fù)合交變作用下產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)，復(fù)合交變不僅包括力的變化還包括溫度和形變頻率的變化，力學(xué)響應(yīng)是指針對這種變化所作出的反應(yīng)能力。橡膠是一種應(yīng)用比較廣泛的高彈性材料，它也有諸如以下的高彈態(tài)特征比如在不同的力或者溫度的作用下，其本身會表現(xiàn)與普通情況下不同的狀態(tài)，例如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、黏流溫度、結(jié)晶-非結(jié)晶轉(zhuǎn)變等[8]。

圖5 為濾網(wǎng)目數(shù)對胎面膠的動態(tài)黏彈性能的影響。

動態(tài)熱機械分析儀可以進行這項實驗，并給出儲能模量G'、損耗模量G"以及二者的比值損耗因子tanδ的變化趨勢。損耗因子tanδ表征了外力對膠料做功時，膠料產(chǎn)生的熱量內(nèi)損，是硫化膠的重要參數(shù)之一。

圖5(a)是不同溫度下動態(tài)黏彈性曲線；圖5(b)各曲線的tanδ的峰值代表不同濾網(wǎng)目數(shù)下膠料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是分子鏈段能自由活動的最低溫度，達到這一溫度后，高分子由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，因此玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是高分子運動轉(zhuǎn)變的宏觀體現(xiàn)，當(dāng)溫度由低變高并通過這一溫度時，材料內(nèi)部高分子結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生改變，黏彈性隨之變化。較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度意味著填料和膠料基體的結(jié)合更好，需要較高的溫度才能使得橡膠分子鏈參與到鏈段松弛的過程中，讓分子鏈的結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變。根據(jù)圖5(b)，濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，tanδ峰值最高，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最高，這說明過濾后的膠料其鏈段尺寸較小，容易運動，再者是過濾后的膠料分子間作用力降低，膠料內(nèi)網(wǎng)絡(luò)柔順性提高，所以膠料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低。

圖5(c)表示的是在-20~20 ℃區(qū)間tanδ的變化趨勢。0 ℃時的tanδ值可以用來表征材料的抗?jié)窕阅埽@一溫度的tanδ值有一個較高的滯后損失就證明膠料的抗?jié)窕阅茌^好，由圖5(c)可知，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為60目時，膠料的抗?jié)窕阅苓_到最佳，因為濾網(wǎng)目數(shù)小，對膠料的過濾能力相對較差,膠料的表面就相對粗糙，所以它有一個高的滯后損失。

圖5(d)表示的是在40~65 ℃區(qū)間tanδ的變化趨勢，60 ℃時的 tanδ值可以用來表征材料的滾動阻力，這一溫度的tanδ值有一個較低的滯后損失就證明膠料的滾動阻力較好，由圖5(d)可知，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，膠料的滾動阻力達到最佳。這說明膠料在經(jīng)濾網(wǎng)細化后，膠料的分子鏈柔順性好，滯后產(chǎn)生的力學(xué)損耗降低，所以有低的滾動阻力和生熱表現(xiàn)。

3 結(jié)論

（1） 雙驅(qū)同步橡膠齒輪泵式濾膠機能夠很好的過濾全鋼胎面膠料,可以為橡膠的擠出成型應(yīng)用提供相關(guān)技術(shù)支持。

（2） 在不同濾網(wǎng)目數(shù)下，因為對膠料的細化程度不同，膠料性能提升的程度也不同。當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為150目時，回彈，磨耗性能提升的幅度最大。