冷冻胶粉粒度对橡胶胶料力学性能的影响

2011-05-20时洁章甦张保生李玉歧

再生资源与循环经济 2011年11期

时洁，章甦，张保生，李玉歧

（中海油天津化工研究设计院，天津 300131）

冷冻胶粉是指采用冷冻机械粉碎法得到的废旧橡胶粉末。由于冷冻法粉碎的胶粉纯度高、粒度小，没有常温胶粉因为在粉碎过程中的受热及撕扯作用可能造成的对橡胶性能的影响，所以可以应用于汽车部件及涂料等高附加值领域。由于冷冻法粉碎可以得到粒度较小的产品，但粒度越小成本越高，故实际应用中应寻求应用效果与成本的平衡，因而研究冷冻胶粉粒度对橡胶胶料性能的影响具有非常重要的意义。

1 实验

1.1 原材料

天然橡胶：SCR5，西双版纳中化橡胶有限公司产品；丁苯橡胶：SBB1502E，兰州石化产品山石化公司产品；冷冻胶粉：本院产品；其他原材料均为市售化学试剂和原料。

1.2 试验基本配方

生胶100；炭黑36；机械油4；促进剂1.4；氧化锌5；硬脂酸2；防老剂1；冷冻胶粉20份；硫磺2.5。

1.3 主要试验设备

母炼胶在3 L加压式捏炼机上进行，小配合试验在XK—160型开炼机上进行。

1.4 性能测试

胶料拉伸强度、断裂伸长率、300％定伸应力在高铁AI-3000拉力试验机上测定，硬度在LX-A橡胶邵尔A硬度计上测定。

2 结果与讨论

2.1 直接添加冷冻胶粉的试验

分别将20份60，80，120和140目的冷冻胶粉，不经任何处理直接加入到基质胶中，加入顺序为在小料之后加入。混炼胶经硫化后测定拉伸强度、断裂伸长率、300％定伸应力和硬度指标。测定结果见表1。

表1 直接添加胶粉粒度对胶料力学性能的影响

其变化规律如图1～4所示。

胶粉是一种硫化橡胶，具有三维网络结构，在与基质胶共混时，由于其与基质胶的界面粘合作用力较小，共交联水平较低，致使共混体系的物理性能下降[1]。从图1可以看出，直接添加不同粒度的胶粉，胶料的拉伸强度都有所下降，以添加60目的胶粉下降最为严重，下降了将近20％，80目、120目和140目结果相差不大，相对而言，140目的结果最好。从图2断裂伸长率的结果看，与拉伸强度一样，断裂伸长率也因为添加胶粉而呈下降态势，同样60目的结果较差，下降了12％左右，80目与120目的结果基本一致，140目胶粉的结果明显好于其他低目数胶粉的测定结果。图3显示，胶粉对胶料300％定伸应力的影响也比较大，不同的是60目、80目和120目的测定结果相差不大，而140目胶粉与低目数胶粉相比有较大的提高。图4看出，粒度对胶料硬度的影响不大。总的说来，对于不同粒度的胶粉来说，直接添加到橡胶胶料中对胶料的力学性能会产生一定程度的影响，以60目的粗胶粉影响最大，而添加140目胶粉的胶料综合性能最好。因此，如果不考虑成本因素，直接添加冷冻胶粉到橡胶胶料中，应选择140目胶粉。这是因为胶粉的粒度越小，在胶料中的分散性越好，同时粒度越小，比表面积越大，表面活性越强，与基质胶的结合性能越好。外观上则表现为粒度越粗，胶料表面越粗糙，而粒度越细，胶料的表面光洁度越好。

2.2 添加薄通胶粉的试验

所谓薄通胶粉就是经薄通处理后的冷冻胶粉。胶粉在开炼机中进行薄通时，会受到开炼机辊筒间的剪切力作用，发生断键。分子的断键与化学键的键能有关，化学键能越低越容易断键，由于C-S，S-S的键能小于C-C键的键能，所以容易发生断裂[2]。胶粉的交联网络因此遭到了破坏，产生了自由基。在空气中氧的作用下，在胶粉的表面引入了含氧基团，使其表面活性增加，在基质胶中的流动性增强，更容易在硫化过程中发生交联反应。表2是不同粒度的胶粉薄通后添加到基质胶中，胶料力学性能的测定结果。

表2 薄通胶粉粒度对胶料力学性能的影响

由图5～8更清晰地看出各项力学性能随粒度的变化情况。

从图5～8可以看出，除硬度外，加入薄通处理后的冷冻胶粉同样会使胶料的力学性能下降，但变化规律与直接添加胶粉不同。同直接添加胶粉一样，60目胶粉拉伸强度下降的最为严重，下降了15％左右，而80目胶粉的拉伸性能有了很大的改善，与60目的胶料相比提升了将近3 MPa，与空白胶料相比只降低了4％左右，与直接添加胶粉的胶料相比提高了1 MPa。断裂伸长率60目胶粉下降也比较明显，比空白胶料下降了将近7％，但80目胶粉达到了空白胶料的水平，之后反而呈下降的趋势，140目胶粉下降的比较多，但与直接添加胶粉的水平相当。值得注意的是，薄通胶粉的300％定伸应力与空白胶料相比下降的比较大，而从结果看粒度对薄通胶粉300％定伸应力的影响不大。

总的说来，除60目胶粉外，粒度对添加薄通胶粉的胶料力学性能的影响没有直接添加胶粉的明显，从综合性能看，80目薄通胶粉更优于120目和140目薄通胶粉。分析认为，胶粉薄通处理后，使胶粉的表面产生了活性基团，这种活性基团对交联作用的影响超过了粒度的影响。因此，通过薄通这种机械改性方法，可以使80目的胶粉替代140目的胶粉应用于橡胶胶料中，而胶料的力学性能则比140目直接添加胶粉的胶料更接近于空白胶料，但成本可以大大降低。