全轮胎胶粉模压弹性体性能的研究

卢 娜，辛振祥*

（1.青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042；2.青岛科技大学 橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266042）

废旧橡胶回收利用方式主要包括原形利用、生产再生橡胶、生产胶粉、热能利用，其中，生产胶粉是我国废旧橡胶资源化利用的重要方式，但是胶粉应用技术落后严重制约了胶粉工业的发展。目前胶粉在橡胶工业中应用一般只是少量掺用在胶料中，以胶粉为主要原料制备橡胶制品是胶粉应用技术研究的重要方向。已有研究者利用粉末成型技术将胶粉转化为弹性体，这将拓宽胶粉的应用领域。胶粉粉末成型技术是将胶粉与具有反应加工性的粘合材料混合或附着其表面，然后进行模压、挤出或注塑成型。杜明亮等[1]在胶粉中添加适量双马来酰亚胺（BMI），使BMI在成型时发生原位反应而接枝到胶粉表面，在胶粉之间形成交联结构，从而制备出性能优良的全胶粉弹性体，研究表明成型温度、时间和BMI用量对胶粉弹性体的物理性能有显著影响。E.Bilgili等[2]利用模压成型技术将废轮胎胶粉直接模压成具有弹性的全胶粉橡胶板，该橡胶板胶料中不需加入生胶，适用于生产中低档橡胶制品。Q.Fabrizio等[3]利用模压成型技术将不同粒径的废轮胎胶粒和胶粉直接模压成型，研究表明适当提高模压成型压力或温度可改善制品的物理性能。A.R.Tripathy等[4]和R.J.Farris等[5]采用高温高压烧结成型（HPHTS）技术，在不添加任何助剂的情况下将单一胶种的胶粉制成具有弹性和良好使用性能的橡胶制品。刘娟等[6]研究了全轮胎胶粉模压成型温度和时间对模压胶片性能的影响，并得出当模压成型温度为170 ℃、时间为20 min时，模压胶片的综合性能最佳。

在相关研究的基础上，本工作采用传统高分子材料成型设备并适当改造模压成型模具，制备全轮胎胶粉弹性体，并研究模压成型压力、胶粉活化改性及天然橡胶（NR）作为粘合剂对模压弹性体性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

全轮胎胶粉，粒径为0.38 mm，新东岳再生科技资源有限公司产品；NR，牌号SCR2，云南勐腊剑锋天然橡胶有限公司产品；活化剂450、促进剂NS和硫黄，市售品。

1.2 配方

活化胶粉配方：全轮胎胶粉100，活化剂450 0.7。

1#模压弹性体配方：全轮胎胶粉（或活化胶粉）100，促进剂NS0.8，硫黄1.2。

2#模压弹性体配方：全轮胎胶粉93，NR7，促进剂NS0.7，硫黄1.1。

1.3 主要设备与仪器

SHR-10型高速搅拌机，青岛德信塑料机械有限公司产品；FN101-1A型密炼机，山东科创电气科技公司产品；XLB-D400型平板硫化机，浙江湖州东方机械有限公司产品；I-7000S型电子拉力机、GT-X8320M型电子天平和密度仪，台湾高铁检测仪器有限公司产品；DZF-6020型真空干燥箱，巩义市予华仪器有限公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 活化胶粉的制备

将全轮胎胶粉和活化剂450加入密炼机，在150 ℃下混合10 min，得到活化胶粉。密炼机转子转速为30 r·min-1。

1.4.2 模压胶片的制备

（1）1#模压弹性体：胶粉或活化胶粉、促进剂NS、硫黄在高速搅拌机中混合均匀后，在平板硫化机上模压成型，裁片。模压温度为170 ℃，时间为20 min。

（2）2#模压弹性体：胶粉、NR、促进剂NS、硫黄在密炼机中混合均匀后，在平板硫化机上模压成型，裁片。模压温度为170 ℃，时间为20 min。

1.5 性能测试

模压弹性体物理性能按相应国家标准进行 测试。

2 结果与讨论

2.1 模具改造

全轮胎胶粉的堆积密度为0.311 Mg·m-3，活化胶粉的堆积密度为0.336 Mg·m-3，而橡胶制品的密度一般为1.05～1.20 Mg·m-3[7]。因此，要利用粉末成型技术制备具有使用价值的胶粉模压制品，在一定温度和压力下增大胶粉堆积密度是关键。

模压成型模具选用经过小幅改进的强力片硫化模具。改造后的模具类似于柱压模具，当4个模腔中只有1个或2个装满胶粉，胶粉上铺垫一个略小于模腔的铁片，以减小胶粉模压时的受力面积，增大模压成型压力。强力片模具的模腔尺寸为113 mm×82 mm×2 mm，下表面积为92.66 cm2，铁片面积为90.07 cm2。

2.2 成型压力对模压胶片性能的影响

模压成型过程中通过改变平板硫化机液压（表压）和装模数量来调节模压成型压力。当1个模腔装满胶粉并在胶粉上铺垫一个铁片时，模具受力面积为90.07 cm2；当2个模腔装满胶粉并在胶粉上分别铺垫一个铁片时，模具受力面积为180.14 cm2；当4个模腔均装满胶粉，而胶粉上未加铁片时，模具受力面积约为400 cm2。

模具受力面积对全轮胎胶粉模压胶片性能的影响如表1所示。从表1可以看出，在平板硫化机液压一定（10 MPa）时，减小模具受力面积有利于提高模压胶片的物理性能。分析认为，在模压成型过程中，胶粉交联网络部分被破坏[1]，而硫化体系会促进交联反应发生，即降解反应和交联反应同时进行，在温度和时间一定时，胶粉交联键的断裂速度相对稳定，减小模具受力面积使胶粉所受的压力增大，胶粉再交联反应程度和有效交联网络增加，交联密度增大，胶粉粒子结合更紧密，模压胶片的拉伸强度和拉断伸长率都有所提高。

表1 模具受力面积对全轮胎胶粉模压胶片性能的影响

硫化机液压对全轮胎胶粉模压胶片性能的影响如表2所示。从表2可以看出，固定模具受力面积为90.07 cm2，改变平板硫化机液压对模压胶片的物理性能影响较小，这可能是由于液压变化幅度较小，对胶粉再交联的影响有限，因此模压胶片的物理性能没有明显变化。

表2 硫化机液压对全轮胎胶粉模压胶片性能的影响

2.3 胶粉活化改性对模压胶片性能的影响

用活化剂450对全轮胎胶粉活化改性得到活化胶粉，考察活化胶粉模压胶片的性能（采用1#配方）。结果得出，在平板硫化机液压为10 MPa、模具受力面积为90.07 cm2的条件下，活化胶粉模压胶片的拉伸强度仅为1.4 MPa，拉断伸长率仅为70%，肉眼观察到模压胶片不密实且易碎。这说明在本研究的配方体系下，胶粉活化改性不利于模压成型。分析认为，在胶粉活化改性时，在活化剂的作用下活化胶粉表面发生降解。而在胶粉模压成型过程中，模压成型压力和温度还会使活化胶粉发生一定程度的降解，交联键由外向内进一步断裂，交联密度降低。胶粉交联网络的降解和新交联键的生成同时进行。本研究中的硫化体系不足以使活化胶粉在活化改性及模压过程中形成致密的交联网络，交联程度较低，导致模压胶片物理性能下降。另外，胶粉活化改性后粘度增大，流动性变差，促进剂NS和硫黄在活化胶粉中分散不均匀，也会导致模压胶片性能下降。活化胶粉的应用技术有待进一步研究。

2.4 NR作为粘合剂对模压胶片性能的影响

选择NR作为胶粉表面润湿改性的粘合剂[7]。NR充分润湿胶粉，使胶粉由松散的颗粒状变成表面具有粘性的团状（如图1所示）。在一定压力下，胶粉可以被迅速压缩成片状或块状（撤掉压力后，体积略有增大），实现堆积密度增大的目的。使用NR作为粘合剂的胶粉密度为0.792 Mg·m-3，有利于胶粉模压成型。同时，加入NR使硫化剂分散更均匀，模压胶片的交联程度增大。

图1 NR作为粘合剂的胶粉

NR作为粘合剂对模压胶片性能的影响如表3所示。从表3可以看出，加入NR的胶粉模压胶片的物理性能明显改善，在模具受力面积为90.07 cm2的条件下，拉伸强度提高3.3 MPa，拉断伸长率提高111%，增幅分别为42.2%和64.5%，这与体系交联程度增大密不可分；胶片性能可以满足部分在静态或低速状态下使用的橡胶制品的要求。

表3 NR作为粘合剂对模压胶片性能的影响

3 结论

（1）模压成型压力是影响胶粉模压弹性体性能的重要因素，减小模具受力面积有助于增大模压成型压力，使体系交联程度增大，模压弹性体物理性能改善。

（2）胶粉活化改性使胶粉降解程度增大，不利于胶粉模压成型，模压弹性体性能较差。

（3）以NR作为粘合剂的胶粉模压弹性体的强伸性能明显提高，可以满足部分在静态或低速状态下使用的橡胶制品的要求。