返炼工艺对丁腈橡胶性能的影响分析

王汝宏 朱常才 王治安

摘要：研究混炼胶返炼工艺对航空用丁腈橡胶硫化性能，硫化胶的物理机械性能、填料分散性的影响。结果表明，增加返炼过程中薄通次数能够有效地降低混炼胶的门尼粘度，混炼胶可塑性提高。不同牌号的丁腈橡胶薄通次数对其硫化性能影响不同。一定程度上增加薄通次数能够提高丁腈硫化胶的物理机械性能，薄通次数过多，剪切对胶料分子链破坏导致硫化胶性能降低。有效地返炼能够使胶料贮存过程中产生的配合剂偏析均匀化，提高填料分散性。

关键词：丁腈橡胶;返炼;薄通次数;硫化性能;物理性能;配合剂分散

混炼胶经过生产销售然后再加工，期间需要储存较长的时间，一定时间的停放对混炼胶中的炭黑与各种助剂的分散以及胶料中应力松弛有益[1]，但橡胶混炼胶随着存储期的延长，胶料硬度会显著增加，结合胶含量增加[2]，炭黑结合橡胶逐渐增多，胶料微观结构发生变化。混炼胶存储时间延长，导致橡胶分子间、橡胶分子与配合剂和补强剂之间发生微观间隙，配合剂和补强剂与橡胶分子之间的相互作用降低[3]，同时停放或储存时间过长，炭黑聚集体在停放过程中会出现一定程度的团聚[4]，极性配合剂之间会发生迁移聚集，使炭黑与配合剂的分散性降低，混炼胶门尼粘度升高。混炼胶储存时间过长，也会严重影响胶料与金属材料之间的粘合。本文主要对研究返炼工艺对较长存储期的丁腈橡胶性能的影响。

1.实验

1.1 主要原材料

丁腈橡胶混炼胶（NBR），牌号5080F、2-5019，生产厂家某材料研究院。丁腈橡胶混炼胶5080F储存时间为187天，丁腈橡胶混炼胶2-5019储存时间为468天。

1.2 主要设备与仪器

BL-6175BL型双辊开炼机，宝轮精密检测仪器有限公司产品;MV2000型门尼粘度仪和MDR2000型无转子硫化仪，美国ALPHA公司产品;HS-100T-RTMO型平板硫化机，深圳佳鑫电子设备科技有限公司产品;Z005型橡胶电子拉力机，德国Zwick公司产品;邵氏A硬度计，高铁科技股份有限公司产品;JSM-7500F型场发射扫描电子显微镜和INCA PentaFETX3型X射线能谱仪，日本电子株式会社产品;

1.3 混炼胶的返炼及硫化

返炼：

丁腈橡胶5080F返炼过程中先将开炼机辊温设定为45oC，辊距大小调为1 mm加入丁腈橡胶混炼胶5080F，使胶料包辊，左右割刀3次下片，然后将辊距调为0.2 mm，分别薄通打三角包0，2，10，20次，最后將辊距调为2 mm下片。

丁腈橡胶2-5019返炼过程中辊温设定为45 oC，返炼过程中辊距与丁腈橡胶5080F返炼过程中辊距相同，丁腈橡胶2-5019返炼过程中薄通打三角包的次数分别为0， 2， 6， 12次。

硫化

将胶料在常温下停放4小时后，采用无转子硫化仪测试返炼后混炼胶的硫化性能，丁腈橡胶5080F和2-5019的硫化温度设定为151oC，硫化仪测试时间为60 min。将返炼后的混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为151oC/10 MPa× 40 min。

1.4 性能测试

混炼胶的门尼粘度测试按照GB/T1232-2000标准进行测试，门尼粘度值采用ML1+4100℃;硫化胶的拉伸性能按照GB/T 528-1998标准测试，哑铃型试样，拉伸速率为500 mm/min;撕裂强度按照GB/T 529-1999标准测试，直角试样，撕裂拉伸速度为500 mm/min;硫化胶的邵尔A型硬度按照GB/T 531-1999标准测试。

2.结果与讨论

2.1 薄通次数对硫化性能的影响

表1和表2为丁腈橡胶5080F和2-5019的门尼粘度和硫化性能参数，从表中可以看出，薄通次数增加，胶料的门尼粘度降低，当薄通次数达到6次时继续增加薄通次数门尼粘度值稳定在一定的范围内，说明薄通次数达到6次以后胶料内部填料和助剂基本分散均匀，同时由于停放过程中产生的结构化基本全被破坏，混炼胶内部聚集的橡胶分子链分散均匀，继续增加薄通次数对门尼粘度不会再发生较大的变化;薄通次数对胶料2-5019硫化过程中最大转矩有一定的影响，返炼次数增加最大转矩有所减低，但变化较小，返炼过程对胶料分子链有一定的破坏性，返炼过程中机械剪切力使分子链发生断裂，但合成橡胶而言难于进行机械塑炼，返炼过程对其分子链破坏较小，所以硫化过程中最大转矩变化较小。但是为了保证胶料性能，避免返炼对胶料分子链产生较大的破坏，要严格控制返炼次数，保证胶料内部填料和助剂充分分散的情况下避免混炼胶的过炼。

混炼胶焦烧时间的长短对加工安全性以及硫化过程中的冲模性有非常重要的意义，从丁腈橡胶5080F和2-5019硫化性能参数中焦烧时间t10可以看出返炼工艺中薄通次数对胶料的焦烧时间影响较小，说明在实验范围内返炼不会使胶料产生早期硫化，保证了胶料在返炼过程中的安全性，使混炼胶在硫化过程中的具有充足的流动时间，保证胶料能够完全充满模具型腔。

返炼工艺中薄通次数对2-5019的硫化时间t90有一定的影响，薄通次数从0次提高到2次，胶料的硫化时间延长接近6分钟，这可能是由于混炼胶在存储过程中硫化剂以及助剂分散不均造成的。从胶料的门尼粘度和硫化性能可以看出，5080F和2-5019存在明显的不同，薄通次数对胶料5080F的硫化时间影响较小，5080F和2-5019混炼胶配方存在明显的差异，从而导致两种胶料的门尼粘度和硫化性能存在明显的差异。

2.2薄通次数对硫化胶物理性能的影响

返炼过程中薄通次数对5080F和2-5019胶料性能的影响见表3和表4。对于胶料5080F而言，薄通次数对硫化胶的拉断伸长率影响较小;薄通次数的增加，撕裂强度在薄通0-10次时变化较小，薄通20次后撕裂强度有较大的提高，定身应力先增大后减小，变化量在2 MPa左右，硬度基本不变;断裂伸长率在不同的薄通次数下变化较小。薄通次数对胶料2-5019硫化胶的拉断伸强度影响较小，不同薄通次数下硫化胶拉伸强度之间相差小于1 MPa，100%、300%定伸应力之间相差同时也小于1 MPa，硫化胶的硬度保持不变，说明返炼工艺中薄通次数对胶料2-5019硫化胶的拉伸强度、定伸应力和硬度影响较小;薄通次数增加，2-5019硫化胶的断裂伸长率降低，但是伸长率的变化量小于10 %，且硫化胶断裂伸长率大于400%，此范围内断裂伸长率的变化对胶料的使用性能基本无影响。对胶料2-5019薄通次数增加硫化胶的撕裂强度先增加后减小。

硫化胶的定定伸应力和硬度能够体现硫化胶在抵抗外力变形的能力，对于胶料2-5019薄通次数变化对其定伸应力和硬度影响较小，说明薄通次数对胶料2-5019抵抗外能力的影响较小。对于胶料5080F在在一定的范围内薄通次数增加（0-10次），硫化胶抵抗外力变形的能力提高，对于丁腈橡胶生产的密封制品使用过程中抵抗挤压变形的能力有益，能够防止使用中由于外力作用制品的变形造成的系统漏油。对于航空密封件而言，防止使用过程中的震动磨损也是至关重要的，对于活动密封件磨耗的主要形式為卷曲磨耗，定伸应力的提高对硫化胶制品抗卷曲磨耗有利，同时对抵抗一般的使用磨损也有一定的作用。所以薄通次数的增加，对胶料5080F制品抗磨损性能有一定的益处。

3.结论

（1）返炼工艺中薄通次数对丁腈橡胶的硫化性能影响较小，薄通次数增加，丁腈橡胶混炼胶的门尼粘度降低，通过薄通混炼胶在存储过程中产生的结构化被破坏，填料和助剂进一步分散，降低混炼胶中结合胶的含量，破坏存储过程中分子链产生的聚集，使混炼胶更加内部结构更加均一，有利于硫化过程中胶料的充模性。

（2）保证有效的薄通次数对丁腈橡胶的性能有所改善，尤其是对于提高胶料的定伸应力有利，定身应力的提高有助于丁腈橡胶密封制品抗外力变形能力的提高，同时有效的薄通次数能够使胶料内部填料分散以及胶料内部结构更加均匀，减少由于填料聚集产生的应力集中，提高橡胶的综合性能，不至于产生由于混炼胶的过炼使胶料的性能降低。

（3）未返炼的混炼胶内部存在明显的配合剂以及填料的聚集，返炼过程中保证有效的薄通次数能够避免由于填料以及配合剂聚集对胶料性能的影响，对于存储时间较长的混炼胶必须保证充分的返炼，避免由于配合剂与填料聚集对最终制品性能的影响。

参考文献

[1] 君轩， 混炼胶停放. 世界橡胶工业， 2010. 37（10）： 第43页

[2] Leblanc J L. An extaction kinetics method to study the morphology of carbon black filled rubbercompound[J]. J ApplPolymSci， 1997， 63（8）： 959-970

[3] 李再琴， 刘强与焦清伟， 全钢载重子午线轮胎胎面混炼胶停放时间对挤出效果的影响. 轮胎工业， 2019. 39（02）： 第111-113页