农用机械橡胶履带胶料的配方改进及性能研究
2022-07-20聂万江李文东云霄碧
聂万江，李文东，曾 季，韩 慧，云霄碧
（1.北京橡胶工业研究设计院有限公司，北京 100143；2.上海华向橡胶履带有限公司，上海 201407）
橡胶履带是一种橡胶材料制成的环形胶带制品，与金属履带相比，其具有接地压力小、振动噪声低、不损伤路面、密度小、速度快和多路况运行等优点，其缺点是在沙石较多的粗糙路面上运行容易损坏[1-5]。目前，市场上部分农用机械橡胶履带在砂石粗糙路面上使用时出现沟底裂的早期损坏情况，导致其使用寿命较短。
为解决橡胶履带沟底裂的问题，除了要求橡胶履带胶料具有优异的拉伸性能和抗撕裂性能以及较低的压缩生热外，还要求橡胶履带胶料具有良好的抗切割性能[6-11]。这是因为良好的抗切割性能有助于减缓橡胶履带沟底裂的发生，延长橡胶履带的使用寿命。胶料的抗切割性能属于高分子材料抗冲击破坏性能，高分子材料的冲击破坏过程包含裂纹引发阶段和裂纹扩展阶段[12-17]。裂纹引发能与高分子材料的主价键力、内聚强度、耐疲劳性能相关，裂纹扩展能与高分子材料的结晶、裂纹尖端塑弹形变相关。凡是能够影响高分子材料裂纹引发能和扩展能的因素都会影响材料的抗切割性能。
本工作改进农用机械橡胶履带胶料的配方，采用炭黑/白炭黑并用补强体系，并添加少量抗撕裂助剂，以提高橡胶履带胶料的抗切割性能。
1 实验
1.1 主要原材料
天然橡胶（NR），SCR1，云南天然橡胶产业集团有限公司产品；炭黑N220和N234，美国卡博特公司产品；白炭黑，德国赢创工业集团产品；抗撕裂助剂，上海君宜化工有限公司产品。
1.2 配方
生产配方：NR 100，填料 50，硫黄/促进剂 2.5，其他 15。
试验配方设计的主旨是在保证胶料其他性能变化不大的情况下，提高胶料的抗切割性能。为此，试验配方采用炭黑/白炭黑并用补强体系，并添加少量抗撕裂助剂，见表1。
表1 试验配方 份Tab.1 Experimental formulas phr
1.3 主要设备和仪器
XK-160A型开炼机，上海橡胶机械厂产品；Banbury 1.57 L密炼机，英国法雷尔公司产品；M200E型门尼粘度计、C2000E型硫化仪、T2000E型拉力机和Y3000E型压缩生热试验机，北京市友深电子仪器有限公司产品；RCC-1型橡胶动态切割试验机，北京万汇一方仪器有限公司产品。
1.4 试样制备
胶料采用两段混炼工艺。一段混炼在密炼机中进行，密炼机的转子转速为80 r·min-1，先用废胶洗车，密炼室温度达到100 ℃时提压砣，投入NR，破胶30 s；提压砣，加入炭黑、白炭黑、偶联剂Si69、油及其他小料，压压砣2 min；提压砣、清扫、压压砣（视情况可再提压砣1—2次），温度达到150 ℃时排胶，胶料采用开炼机下片。二段混炼在开炼机上进行，加入一段混炼胶、硫黄和促进剂，混炼均匀后下片。
1.5 性能测试
抗切割性能采用RCC-1型橡胶动态切割试验机测试，试验条件：胶轮转速 725 r·min-1，打击速度 120 次·min-1，打击时间 15 min。
胶料其他性能按照相应国家标准或行业标准进行测定。
2 结果与讨论
2.1 硫化特性
混炼胶的门尼粘度和硫化特性见表2。
从表2可以看出：试验配方SY1—SY4胶料的门尼粘度和焦烧时间与生产配方胶料相近，FL和Fmax小于生产配方胶料；试验配方SY4胶料的t90最长，硫化速度稍慢。
2.2 物理性能
胶料的物理性能见表3。
从表3可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方SY1—SY4胶料的300%定伸应力和500%定伸应力稍有提高，拉伸强度和撕裂强度相近，拉断伸长率有不同程度降低；试验配方SY1和SY2胶料的压缩疲劳温升相近，试验配方SY3和SY4胶料的压缩疲劳温升较低。
表3 胶料的物理性能Tab.3 Physical properties of compounds
从表3还可以看出：100 ℃×24 h老化后，试验配方SY1—SY4胶料的邵尔A型硬度变化和拉伸强度变化率相差不大，其中拉伸强度变化小于生产配方胶料；压缩疲劳温升总体降低，压缩永久变形减小。试验配方胶料的耐老化性能与生产配方胶料总体相近。
2.3 抗切割性能
胶料的抗切割性能如表4所示。
表4 胶料的抗切割性能Tab.4 Cutting resistances of compounds
从表4可以看出：试验配方SY1—SY4胶料的质量损失和质量损失率均小于生产配方胶料，表明其抗切割性能好于生产配方胶料；试验配方SY1，SY2和SY3胶料的抗切割性能相近，优于试验配方SY4胶料，这可能与其配方中炭黑与白炭黑并用有关，表面能较高的白炭黑在胶料变形过程中能够消耗更多的变形能，抑制裂口的增长。
3 结论
为了解决农用机械橡胶履带在砂石粗糙路面上使用出现沟底裂的早期损坏问题，在胶料的试验配方中将炭黑与白炭黑并用，同时少量添加抗撕裂助剂。结果表明，与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼粘度和焦烧时间相近，FL和Fmax减小，300%定伸应力和500%定伸应力稍有提高，拉伸强度、撕裂强度和耐老化性能相近，拉断伸长率降低，抗切割性能提高，这有助于解决橡胶履带沟底裂的早期损坏问题。
