浅色高耐磨胶辊的研制

付含琦，赵洪国，杨玉琼，刘圣华，李金山



浅色高耐磨胶辊的研制

付含琦1，赵洪国1，杨玉琼1，刘圣华2，李金山3

（1. 中国石油石油化工研究院，甘肃 兰州 730060；2. 中国石油华北化工销售公司，北京 100009； 3.中国石油兰州石化公司橡胶厂，甘肃 兰州 730060）

通过配方设计与筛选，对硫化促进体系、补强体系、增塑体系、防老化体系实现了优选，采用优选配方制备的胶料，不仅满足砻谷胶辊技术要求，而且大幅提升了其关键指标的性能值。

胶辊；丁腈橡胶；白炭黑；性能

砻谷胶辊系砻谷机上的关键部件，转速快，相对磨擦力大，生热高。因此，砻谷胶辊要求具有较高的耐磨性、耐热性和抗张、抗撕裂性及适中的硬度、弹性。砻谷胶辊补强剂多为沉淀法白炭黑，由于其表面存在大量的活性硅醇基团和羟基，使得其具有较强的亲水性和自聚性，因此白炭黑与橡胶基体相容较差，同时填料橡胶之间主靠要键能较低的氢键和范德华力结合，而非键能高的化学键结合。从而导致在剪切力场作用下，砻谷胶辊中白炭黑颗粒不断被剥离形成微粒，造成大米污染、环境污染，且砻谷胶辊使用周期短。故，现有技术依然没有解决砻谷胶辊耐磨性差，污染大米等技术问题。

本文采用改性白炭黑补强，并通过配合体系设计与优选[1,2]，开发一个浅色高耐磨胶辊配方，解决浅色高硬度砻谷胶辊力学性能和使用性能差的问题。

1 实验部分

1.1 实验原料

NBR 3305，兰州石化公司产品；白炭黑(粒径20～40 mm,HN-1,99.9%)，山东海纳高科材料有限公司；改性剂 Si-69，南京曙光化工集团有限产品；其它均为橡胶工业常用助剂。

1.2 实验设备

XK-160型开炼机，无锡市橡胶塑料机械厂；25 t油压型平板硫化机，无锡市橡胶塑料机械厂；TS-7000 s拉力机，台湾高铁电子仪器有限公司；MZ-4061阿克隆磨耗试验机，江都市明珠试验机械厂；401A型热空气老化箱，上海试验仪器总厂；UR-2030型橡胶无转子流变仪，青岛优肯科技股份有限公司。

1.3 试样制备

1.3.1 基本配方（质量份）

NBR3305 100，白炭黑 40，ZnO 5，硬脂酸 1，TBBS 0.7，S 1.5

1.3.2 白炭黑表面改性[3,4]

（1）将白炭黑置于热空气烘箱，在200 ℃条件下结构活化1.5 h。

（2）本改性技术属于干法改性，具体如下：

①偶联剂用丙酮进行稀释。

②将结构活化后的白炭黑置于丙酮清洗干净的容器、密封。

③采用压缩机以喷雾的方式，将稀释过的偶联剂加入装有白炭黑的容器，同时加以中速搅拌，以确保偶联剂均匀的覆盖在白炭黑表面。

④将改性后的白炭黑置于热空气烘箱中，去除残余丙酮。

1.3.3 试样制备

胶料混炼采用开炼机，加料顺序为：生胶→氧化锌和硫黄→硬脂酸→改性白炭黑→促进剂TBBS→其余助剂，经薄通、下片（厚度：2.0～2.5 mm）得到混炼胶样，停放2 h以上，置于平板硫化机硫化得到硫化胶样。

1.4 性能测试

硫化特性：按GB 1233-1992进行；应力应变：按GB 528-1998进行试；老化性能：按GB3512-89进行；磨耗性能：按照GB/T 1689-2014进行；邵氏A硬度：按GB/T 2411-2008进行；撕裂性能：按照 GBT529-2008进行。

2 结果与讨论

2.1 硫化体系

橡胶通过硫化由线型结构变成了三维网状结构，这一过程赋予橡胶各种物理机械性能，使橡胶具有了使用价值[5]，因此，硫化体系的选择对加工橡胶制品尤为重要。

本工作讨论了4类硫化体系（低硫高促、高硫低促、高硫高促、硫载体），对NBR3305硫化胶物理机械性能影响如表1所示。

表1 不同硫化体系对NBR3305物理机械性能影响

从表1可以看出，采用高硫高促硫化体系的试样硬度高，拉伸强度大，磨耗体积较小，因此，选择高硫高促硫化体系，并对其配比进一步选择，配方设计如表2所示，胶料的主要性能数据如表2所示。

试验结果如表3所示。从表3可以看出，采用S/TMTD作为硫化促进体系，胶料的物理机械性能较好。

表2 硫化促进体系的设计

表3 硫黄/促进剂对物理机械性能影响

2.2 补强体系

补强是指借补强剂使橡胶的拉伸强度、撕裂强度及耐磨度同时得到提高的一种过程。砻骨胶辊系浅色橡胶制品中，要求强度高，所以选择沉淀法白炭黑并配合适当的填充剂以降低成本。由于不同种类的白炭黑，其特性不同，对胶料硫化特性、物理机械性能、加工性能都有着不同的影响。本工作选择了3种白炭黑，分别按照1.3.2进行了表面结构改性，补强体系具体配比如表4所示，胶料的主要性能数据如表5所示。

表4 补强体系的设计

表5 补强体系对物理机械性能影响

在三种白炭黑中，7000GS的分散程度最高，其次是Z125，最后是Z195。比表面积的大小顺序是Z195>7000GS>Z125。从表5可以看出，各胶料的10差别不大，说明胶料的加工安全性与白炭黑的分散程度和比表面积关系不大。Z195硫化时间90最长，Z125填充胶料90最短，7000GS胶料居中，这说明比表面积越大，分散性越好，胶料的硫化时间越长。这是由于良分散性和大比表面积增大了胶料与白炭黑的接触面积，减少了硫化剂与胶料的接触面，从而延长了硫化时间。7000GS补强的胶料拉伸强度最大，其次是Z195，Z125补强胶料的拉伸强度最小。这是由于7000GS高分散的特性使其能够在橡胶基体中形成较均匀的填料网络，填料网络中颗粒之间的距离越均匀，受到的外部应力就能更快的被分散到各个次级网络，降低了应力集中效应所致。因此，补强体系选择2-1。

2.3 增塑体系

增塑剂在橡胶制品中广泛使用，不仅可以提高胶料的可塑性，改善胶料在混炼和成型过程的加工性能，也有利于提高炭黑等配合剂在胶料基体中的分散性，提高拉伸性能，降低硫化胶硬度，定伸应力及改善耐寒性能等。

由于本配方的主体胶料为丁腈橡胶，与其相容性良好的增塑剂为聚酯类和液体丁腈橡胶。同时考虑到胶辊的高硬度、高强度的技术要求，因此，增塑体系设计为树脂与液体丁腈、聚酯并用，增塑体系具体配比如表6所示，胶料的主要性能数据如表7所示。

表6 增塑体系的设计

表7 补强体系对物理机械性能影响

从表7可以看出，使用古马隆的配方10和90均有所缩短，表明其焦烧安全性降低，但是硫化效率有所提高。对比表5可知，加入增塑体系后混炼胶门尼粘度降低，加工性得到改善，其中3-3的拉伸性能略有提高，这是由于树脂类增塑剂带有补强性所致。因此，增塑体系选择3-3。

2.4 防老体系

橡胶老化主要是指加工、存放及使用过程中，橡胶或橡胶制品在热、光、氧等因素的作用下，发生物理或化学变化，导致性能逐渐下降或者损坏的现象。加入防老剂是延缓并阻止橡胶老化的有效方法，防老剂按照作用机理可以分为物理防老化和化学防老化两类，常用的物理防老剂有石蜡，化学防老剂有胺类、酚类，橡胶工业多采用两种或者多种并用来实现综合防老化。由于本配方是针对砻骨胶辊，所以只能使用非污染型防老剂RD，其用量对胶料的防老化效果影响如表8所示。

表8 防老剂对NBR硫化胶性能的影响

从表8可以看出，随着防老剂用量的增加，橡胶制品老化前后性能的变化率逐渐减小，并逐渐趋于稳定，即当RD用量大于2.0份时，硬度、300%定伸应力、扯断伸长率、拉伸强度的变化率均不大，同时考虑成本因素，故防老剂用量选择2～3份的防老化效果已经满足制品要求。

2.5 配方确定及优化

根据以上实验，确定配方如下（质量份）：NBR 3305 100，氧化锌 5，硬脂酸 1，硫黄 2.5，TMTD 2.5，DOP/古马隆/液体丁腈/酚醛树脂 3/5/5/5，白炭黑 65，碳酸钙30，偶联剂 Si-69 5.2，RD 2.5，采用该配方制备的胶料主要性能测试结果如表9所示。

由表9可知，采用优化配方制备的砻谷胶辊门尼粘度、10、扯断伸长率、硬度与原生产配方相当，而拉伸强度大幅提高，90和阿克隆磨耗体积显著降低，表明，优化配方与原生产配方的加工工艺相当，硫化效率提高，力学性能和使用寿命将明显改善。

表9 防老剂对NBR硫化胶性能的影响

3 结论

通过配方设计与筛选，对硫化促进体系、补强体系、增塑体系、防老化体系实现了优选，采用优选配方制备的胶料，不仅满足砻谷胶辊技术要求，而且大幅提升了其关键指标的性能值。

［1］王 军,付晓艳,等.浅谈并条胶辊配方设计[J].纺织器材，2013,40（1）:19-22.

［2］张殿荣,辛振祥．现代橡胶配方设计[Ｍ]．北京：化工工业出版社,2007．

［3］赵洪国，胡海华,等.改性纳米二氧化硅对丁腈橡胶的补强作用[J]世界橡胶工业，2010,37（2）:13-15.

［4］张蕾,张丹凤,等.纳米微粒的表面改性及表征方法研究[J].当代化工，2005,34（1）：49-51.

［5］于清溪.橡胶配方硫化体系的优化设计（一）[J].世界橡胶工业，2013,40（8）:1-8.

Development of Light Colored High Wear Resistant Cots

1,1,1,2,3

（1. PetroChina Petrochemical Research Institute, Gansu Lanzhou 730060, China； 2. PetroChina North China Chemicals Marketing Company, Beijing 100009, China；3. PetroChina Lanzhou Petrochemical Company Synthetic Rubber Plant, Gansu Lanzhou 730060, China）

Through the design and selection of formula, vulcanizing system, reinforcement system, plasticizer system and anti aging system were optimized, the rubber was prepared by optimized formula, which not only met the requirements of Huller COTS technology, but also greatly enhance the performance value of key indicators.

Rubber rolls; Nitrile rubber; Silica; Properties

TQ 330

A

1671-0460（2017）08-1589-03

2017-05-21

付含琦（1981-），女，四川省资阳市人，工程师，硕士，2005年毕业于四川大学高分子科学与工程学院高分子材料专业，研究方向：从事炼油与化工科研相关工作。E-mail：31015396@qq.com。