高性能纺织梭轮材料配方研究

2019-08-30李爱民毛学斌李方山

安徽化工 2019年4期

李爱民，毛学斌，李方山

（1.安徽中鼎密封件股份有限公司，安徽宁国242300；2.安徽安大中鼎橡胶技术开发有限公司，安徽合肥230038；3.安徽省高性能橡胶材料及制品实验室，安徽合肥230038）

梭轮是圆织机重要的配套零部件，结构一般为铁芯外包覆实心高分子弹性体材料。在使用工况下，梭轮需要承受较大的离心力和摩擦力，在运动轨迹方向上，高分子弹性体材料在力的作用下不断重复压缩-松弛-恢复的形变过程[1]。在此过程中，由材料本身的高弹性形变产生的滞后生热和宏观摩擦生热会导致梭轮温度急剧上升。由于绝大多数高分子弹性体材料是热的不良导体，无法及时导出内部蓄积的热量，会导致梭轮材料快速升温降解而出现破裂、崩块和脱胶现象。

随着高速圆织机的开发成功，圆织机梭子用梭轮的转速进一步提高，转速可高达3 000～4 000 r/min，需要开发出高性能梭轮用高分子弹性体材料，以满足梭轮制品的更高要求。

1 实验部分

1.1 实验材料

丁腈橡胶NBR N230S（日本JSR 株式会社）；羧基丁腈NX775（日本瑞翁化学工业株式会社）；NBR/PVC（中鼎公司自制）；混炼型聚氨酯橡胶MPU 643G（莱茵公司）；间接法氧化锌（安徽含山锦华氧化锌厂）；硬脂酸（杭州油脂化工有限公司）；白炭黑，ZEOSIL 175MP（索尔维精细化工有限公司）；硫磺（珠海科茂有限公司）；过氧化物DCP（太仓塑料助剂厂）；酚醛树脂（溴甲基烷基苯酚甲醛树脂）（美国圣莱科特公司）；其他原材料均为市售产品。

1.2 实验仪器

X（S）K-160 开放式炼胶（塑）机；QLB-50D/Q 平板硫化机；高铁AI-7000S 电子拉力试验机；LX-A 型橡胶硬度计；Gibitre 橡胶回弹性测试仪；SS-5643-D 滚筒式磨耗试验机；TPS2500S 热常数分析仪；梭轮台架试验机（自制）。

1.3 样品制备

将除生胶外配料先按配方比例混合，充分搅拌至均匀分散，再与生胶在开炼机上混炼；均匀后薄通3 次，停放24 h 出片硫化，停放24 h 后测试各项性能。胶片硫化条件为175℃×10 min，硫化性能测试在流变仪上进行，条件为175℃×15 min。

1.4 硫化胶的性能测试

按照GB 2941 制样；按GB/T 531.1 测试邵尔A 型硬度；按照GB528 测试拉伸性能；按照GB/T 1681 测试回弹性能；按照GB/T 9867 测试滚筒磨耗；按照ISO22007 测试导热系数。

2 结果与讨论

表1 不同弹性体材料对性能的影响

表2 不同弹性体材料试制品梭轮台架实验的性能

2.1 弹性体材料的选择

混炼型聚氨酯MPU 材料强度高，耐磨性好，是一种制备高强度高耐磨制品的优良材料[2]，但其在高速摩擦转动时内部蓄热快，制品内部温度短时间内急剧升高，很快出现崩块掉落现象。NBR/PVC 合金材料由于含有一定含量的塑料成分，导致材料弹性降低，发硬变脆，更易出现崩块掉落现象。与丁腈橡胶相比，羧基丁腈橡胶由于结构中引入了可反应性的羧基基团，这使得其不仅可以与硫黄-促进剂或过氧化物硫化，在双键位置形成共价型交联键，同时还可与二价金属氧化物或其盐反应形成离子型交联键，而对整个大分子网络有明显的补强及增硬作用，但材料弹性形变性能下降。在高频应力作用下摩擦生热增大，加之导热性差，无法及时导出蓄热，台架实验时产品很快破坏。

丁腈橡胶NBR 中的丙烯腈结构具有较强吸电子能力，提高了烯丙基位置上氢的稳定性，因此中、高丙烯腈含量的NBR 有较好的耐热性能。同时，丙烯腈含量的增加，结构单元的极性增强，大分子间相互作用力增大，使丁腈橡胶获得了更高的耐磨损性[3]。从表1 和表2 可得，综合基本物性及台架实验结果，N230S 是较为理想的制备梭轮的橡胶弹性体材料。

2.2 填充体系的优化

表3 不同填充体系对N230S 材料的性能影响

表4 不同填充体系对N230SNBR 试制品台架实验的性能影响

由于梭轮是浅色制品，所以选用白炭黑作为补强填料。以N230S 为基础材料，研究了不同添加比例和配合体系的气相法白炭黑和沉淀法白炭黑对材料性能的影响。结果显示，气相法白炭黑（g-SiO2）的粒径小于沉淀法白炭黑（p-SiO2），比表面积更大，活性更高，补强效果更好。随着白炭黑添加量的增加，其在基体中微相分散的连续度增加，可以提高材料的拉伸强度。硅烷偶联剂Si-69 是改性白炭黑表面化学特性的有效活性剂，它既含有能与白炭黑表面硅醇基反应的官能团，又含有能在硫化过程中与橡胶键合的官能团，使其在白炭黑与橡胶大分子之间化学“架桥”，最终产生较多的填充剂——橡胶键，提高了硫化胶的拉伸强度和耐磨性[4]。配合硅烷偶联剂后，N230S 硫化胶的交联密度增加，导热系数略有提高。添加份数以70 份为宜，继续提高添加量会使力学性能下降。

2.3 硫化体系的优化

表5 硫化体系对N230S 硫化胶材料的性能影响

表6 硫化体系对N230S 试制品台架实验的性能影响

硫磺硫化体系，交联键以单硫键和多硫键为主，材料回弹性能较好。但由于多硫键键能较低，导致耐热性下降，高速运转下的内部生热加速了材料的热老化过程，台架实验性能较差。过氧化物硫化体系可以提高交联密度，同时交联键以C-C 键为主，键能高，可以提高耐热性和耐磨性。但由于交联密度的提高，材料的弹性形变性能变差，回弹性能下降。酚醛树脂硫化体系在硫化过程中能形成键能较高、热稳定较好的-C-C-和-C-O-C 交联键，几乎不产生硫化返原现象，具有较高的耐热性。综合基本物性及台架实验结果，酚醛树脂是较为理想的制备梭轮的橡胶弹性体材料硫化体系。