制样方式对混炼胶流变特性、流动性检测结果的影响

朱家顺，李红卫，于 鑫，陈 浩

(特拓(青岛)轮胎技术有限公司，山东 青岛 266061)

轮胎橡胶在配方设计及加工过程中使用到生胶、补强剂、增塑剂、硫化剂、防护剂等5大原料体系。原料的微观化学结构、填料在橡胶基体中的分散状态影响到未硫化胶的加工性能以及相应硫化胶的机械性能。在未硫化胶的加工性能评价过程中，如门尼黏度、流变特性、橡胶加工性能分析仪等，都是根据规定样品尺寸、形式、温度、速度、时间等条件下的检测参数进行评价[1-5]。因此，包括样品制备在内的过程控制水平对检测结果的有效性有着至关重要的影响。以胶料流变特性为例，GB/T 9869—2014要求试样从没有气泡的薄胶片裁取，试样为直径30 mm、厚度12.5 mm的圆片，总体积约为8 cm3，每次实验用料的体积相等[6]。ASTM D5289—2007要求样品为圆形，直径小于检测模腔，体积应控制在检测模腔的1.3～1.9倍范围内。对特定系列样品，一旦样品体积确定后，样品质量应控制在(目标值±0.5)g范围内[7]。

在实际工作中，样品制备过程被重视的程度往往不够。不少实验室，甚至是一些国内大型轮胎企业的研发实验室，技术人员在进行流变仪检测时，经常随手用剪刀大致剪裁样品后便进行检测。

本文通过对比非等体积取样(NIV)、等体积取样(IV)两种制样方式下平行检测结果的平均值、变异系数来探讨制样方式对轻卡胎面终炼胶(FT)、胎侧终炼胶(FS)流变特性、流动性[8-9]的影响规律。

1 实验部分

1.1 原料

FT、FS：东营市方兴橡胶有限责任公司工业化半成品。

1.2 仪器及设备

无转子流变仪：M2000-AN，高铁检测仪器(东莞)有限公司；胶料流动性分析仪：VMA1000，特拓(青岛)轮胎技术有限公司。

1.3 样品制备

(1)NIV：采用直径为40 mm的圆形裁刀，不改变样品厚度，直接从终炼胶片上冲裁。

(2)IV：通过自制工具，先通过圆形裁刀内部的压料柱对样品进行预压，至设定高度后，再进行冲裁，由于受压致使样品冲裁后直径收缩至40 mm以下。

1.4 检测方法

流变特性：测试温度为150 ℃，测试时间为40 min；流动性：测试压力为0.83 MPa，测试温度为90 ℃，预热时间为180 s，流动值是冲头在11 s测试时间内的下降位移，单位为0.01 mm；口型膨胀率：在样品挤出口模后2 cm处对挤出后的胶条进行非接触式直径测量，测量值与口模直径的相对变化率即为口型膨胀率。

2 结果与讨论

2.1 流变特性

2.1.1 NIV与IV对比

NIV和IV两种制样方式下，FT、FS流变特性检测结果的平均值及变异系数对比如表1、表2所示。

表1 制样方式对FT流变特性的影响1)

1)ML为最低扭矩，MH为最高扭矩，tc10为焦烧时间，tc50为半硫化时间，tc90为正硫化时间。

表2 制样方式对FS流变特性的影响

表1和表2结果显示，两种制样方式的平均值差异比较小，相对差异小于5%，但变异系数差异比较大，与IV相比，NIV的变异系数均有较大幅度增加。对FT和FS而言，ML、MH、tc10、tc50、tc90的变异系数平均增加了140%、150%、190%、290%、180%。

通过压料柱预压，而后进行IV，能够显著提升流变仪检测结果的精密度。经预压后，大幅度降低了样品之间质量和体积的差异，样品之间质量差异控制精密度提升了4～5倍，同时样品密实度增加，减少了平行检测间的波动。

2.1.2 不同样品质量下的IV

在IV方式下，通过调整压料柱与垫板间的距离，从而获得FS的4组不同质量的对比检测样品。每组进行5次平行检测，检测结果的平均值、变异系数如图1、图2所示。

样品质量/g图1 IV方式下样品质量对FS流变特性检测平均值的影响

图1结果显示，在控制IV方式下，5.8～9.8 g范围内随着样品质量的增加，ML、MH呈现下降趋势，ML下降约为5%，MH下降约为10%，tc10、tc50、tc90呈现增加趋势，分别增加了18%、17%和15%。

样品质量/g图2 IV方式下样品质量对FS流变特性检测变异系数的影响

图2显示，IV方式下，样品质量对流变特性检测结果的变异系数以6.8 g左右比较合适，在6.7～9.8 g之间ML的变异系数基本相当，MH、tc10、tc50、tc90的变异系数均呈现增加趋势，分别增加600%、100%、130%和600%。

综上所述，建议在采用M2000-AN流变仪进行胶料流变特性测试时，样品制备宜采用IV方式，并控制样品的质量在6.5～7.0 g之间。

2.2 流动性

2.2.1 NIV与IV对比

NIV和IV两种制样方式下，FT、FS流动性10次平行检测结果的平均值及变异系数如表3、表4所示。

表3、表4结果显示，NIV样品质量与终炼胶下片厚度相关，与IV样品相比质量较大，相同条件下流动值、口型膨胀率均呈现下降趋势，分别降低9.6%和6.4%。变异系数相对较大，样品质量、流动值、口型膨胀率的变异系数分别增大了170%、50%和90%。通过预压、IV的样品控制方式能够有效提高流动性检测结果的精密度。

表3 制样方式对FT流动性的影响

表4 制样方式对FS流动性的影响

2.2.2 IV方式下样品质量对检测结果的影响

在IV方式下，通过调整压料柱与刀口平面间的距离，从而获得FT、FS 各4组不同质量的对比检测样品，每组进行5次平行检测。检测结果相对于5.8 g样品平均值的百分数变化如图3所示。

从图3可以看出，随着样品质量的增加，流动值、口型膨胀率均呈现下降趋势。在6.6～9.5 g范围内，流动值平均下降了13%，口型膨胀率平均下降了10%。随着样品质量增加，在11 s检测时间内，传导至口模处的压力有所降低，致使实际压出的量下降。因此，在胶料流动性分析仪实际检测应用工作中，必须对检测样品的质量进行精确控制。

样品质量/g图3 IV方式下样品质量对FT、FS流动性检测平均值的影响

3 结 论

(1)经预压处理的IV方式能够提升流变特性和流动性的检测精度。

(2)在IV方式下，随着样品质量的增加，流变速率呈现增加趋势，ML、MH、流动值、口型膨胀率呈现下降趋势。