提高乳膠氣囊耐疲勞性能的研究

李紅蘭，楊忠全，李爭凱

（1.中國化工株洲橡膠研究設計院有限公司，湖南 株洲 412003；2.中國氣象局干部培訓學院湖南分中心，湖南 長沙 410007；3.湖南省懷化氣象局，湖南 懷化 418000）

以天然膠乳制備的乳膠氣囊與其他橡膠制品一樣，由于其橡膠分子鏈中存在不飽和活性基團，易與氧、臭氧及其它活性物質發生反應，使橡膠分子鏈斷裂或過度交聯，在使用和存放過程中會出現表面龜裂、泛白、硬化、發粘、物理性能下降等老化現象，導致其在高充盈（高伸長率）狀態下的耐疲勞性能不理想，使用壽命短。影響乳膠氣囊耐疲勞性能的因素很多，如膠乳品質、膠膜交聯密度和膠膜純度等。為了延長乳膠氣囊的使用壽命，應盡可能提高膠膜的交聯密度和純度，也可加入能抑制膠膜老化的物質如防老劑等。每種防老劑都有其對應的使用范圍，但有時將2種或3種防老劑并用會產生協同效應，達到比較理想的防護效果。

本工作主要研究使用時需膨脹一定倍數的乳膠氣囊的物理性能，重點探討乳膠氣囊在高伸長率狀態下的耐疲勞性能。針對膠乳品種、膠乳防護體系、膠乳預硫化工藝、預硫化膠乳離心處理和膠囊硫化條件開展了大量試驗后，總結出影響最大的3個因素，即膠乳防護體系、膠乳預硫化工藝和預硫化膠乳離心處理，主要從這3個方面研究在保證乳膠氣囊物理性能的同時，有效提高其耐疲勞性能。

1 實驗

1.1 原材料

防老劑Lowinox CPL，中聯橡膠有限責任公司提供；防老劑DTBHQ，廣州泰俊化工有限公司產品；離心天然膠乳，工業級，馬來西亞產品；穩定劑、促進劑、氧化鋅、硫黃、增塑劑和潤濕分散劑均為市售工業級產品。

1.2 配方

膠乳配方見表1。

表1 膠乳配方 份

1.3 試樣制備

將酪素、氫氧化鉀和平平加O分別制備成稀釋溶液，將硫黃、促進劑、防老劑和氧化鋅分別研磨成水分散體，將增塑劑制備成乳狀液。采用通用的天然膠乳配合方法，將配合劑按表1中的順序依次加入到膠乳中，按正常的預硫化工藝和浸漬方法加工成試片和成品氣囊。

1.4 性能測試

原材料控制指標及檢驗方法按《膠乳工業原材料技術條件和試驗方法匯編》中相關條款進行。

膠囊疲勞次數測定方法：對成品氣囊進行充氣，氣囊的一頭先充滿氣體，當直徑膨脹至700%左右以后，開始往另一頭延伸，至整個氣囊充滿氣體而不爆炸，疲勞次數計1，然后放氣，再重新充滿氣，如此反復直至氣囊破裂，得出最終疲勞次數。

膠料其他性能按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 膠乳預硫化工藝

膠乳預硫化是一種比較特殊的硫化方式，在膠乳中加入各種配合劑后，控制一定溫度和時間，進行預硫化。預硫化后的膠乳仍保持膠體狀態。與配合膠乳干燥后再硫化制得的膠膜性能相比，預硫化膠乳制得的膠膜撕裂強度較大，永久變形較小，交聯密度高、透明度較好，吸水性較小，其他性能相當，證明預硫化工藝是提高乳膠制品耐疲勞性能的有效途徑之一。

采用常規工藝制造乳膠氣囊。預硫化工藝對成品乳膠氣囊性能的影響如表2所示。

從表2可以看出：預硫化工序以及預硫化條件對于乳膠氣囊的性能很關鍵，不經過預硫化工序、直接用配合膠乳加工制得的乳膠氣囊的疲勞次數明顯小于使用預硫化工藝的乳膠氣囊；預硫化溫度超過80 ℃時，乳膠氣囊的疲勞次數大幅減小；膠乳進行60 ℃×4 h的水浴恒溫預硫化，膠乳的硫化氯仿值控制在三中，乳膠氣囊的耐疲勞性能最佳。

表2 預硫化工藝對成品乳膠氣囊性能的影響

2.2 防老劑并用

在所有的不污染、不變色防老劑中，酚類防老劑綜合性能最佳，具有高抗萃取性、低揮發性、良好的耐熱穩定性和相容性，能提高橡膠制品的耐氧和耐紫外光老化性能，特別是耐疲勞性能。防老劑CPL學名為聚合級空間受阻酚，是一種高效的不變色防老劑，廣泛應用于天然膠乳制品生產。特殊防老劑DTBHQ能有效提高膠料的耐氧及耐紫外光老化性能，可提高橡膠制品的耐熱、耐油及耐屈撓龜裂性能。本工作選用酚類防老劑CPL和防老劑DTBHQ并用。防老劑并用比對成品乳膠氣囊性能的影響見表3。

從表3可以看出：單用防老劑DTBHQ對于提高乳膠氣囊的耐疲勞性能有一定效果，但效果并不是很明顯；當防老劑CPL和防老劑DTBHQ按并用比1/1并用時，產生明顯的協同效應，乳膠氣囊的耐疲勞老化性能大幅提高，疲勞次數達到79。

表3 防老劑并用對成品乳膠氣囊性能的影響

2.3 預硫化膠乳離心處理

在對透明度和彈性要求較高，特別是有爆破體積要求的乳膠氣囊生產過程中，對預硫化膠乳應進行離心處理，將多余的非橡膠成分（如未反應完全的分散體小顆粒等）除去。本試驗分別采用離心處理和未離心處理的預硫化膠乳加工制造乳膠氣囊，預硫化膠乳離心處理對成品乳膠氣囊性能的影響如表4所示。從表4可以看出，與預硫化膠乳未采用離心處理的乳膠氣囊相比，預硫化膠乳采用離心處理的乳膠氣囊物理性能、耐老化性能和耐疲勞性能較好，這表明膠膜中固體顆粒對乳膠氣囊耐疲勞性能的影響很重要，固體顆粒含量越小，膠乳純度越高，乳膠氣囊的耐疲勞性能越好。

表4 預硫化膠乳離心處理對成品乳膠氣囊性能的影響

3 結論

（1）采用防老劑CPL和防老劑DTBHQ并用，且并用比為1/1時可以大幅提高乳膠氣囊在高伸長率下的耐疲勞性能。

（2）采用60 ℃水浴恒溫4 h的膠乳預硫化工藝，膠乳氯仿值為三中左右，乳膠氣囊成品性能最佳。

（3）增加預硫化膠乳離心處理，除去膠乳體系中多余的非橡膠成分和未反應完全的分散體小顆粒等，是提高乳膠制品耐疲勞性能的有效方法，且膠膜更加均勻光滑、透明美觀。

采取以上措施后，乳膠氣囊的耐疲勞性能明顯提高，乳膠氣囊在700%伸長率下的平均疲勞次數達到85，產品性能可以滿足國內市場乳膠氣囊的使用要求。