HNBR同步帶拉伸強度和黏合性能的研究

嚴光旺，汪 艷

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205

氫化丁腈橡膠（hydrogenated nitrile rubber，HNBR）是由丁腈橡膠（nitrile rubber，NBR）上不飽和雙鍵氫化成飽和鍵而制成的主鏈高度飽和的合成橡膠［1-3］。HNBR具有優良的耐高溫（175℃）和耐低溫（-40℃）性能，具有優異的物理機械性能和高彈性、耐臭氧、耐曲撓龜裂、耐油、耐磨性能，并具有類似NBR的良好的加工工藝性能，易混煉、存放穩定性好、操作安全，主要用于汽車、石油、航空航天等領域，如用做汽車油封、燃油系統部件、汽車傳動帶、鉆井保持箱和泥漿用活塞、印刷和紡織用膠輥、航天航空用密封件、減震材料等［4-6］。目前，世界上幾乎所有的汽車生產廠家都在通過采用HNBR同步帶替換氯丁橡膠同步帶來提高汽車的性能。同步帶由強力層、背帶、背齒和包布層組成，這就對其之間的黏和性能有較高的要求，以達到形成一個具有優異物理性能的整體［7-8］。本文采用正交試驗［9-10］研究橡膠黏合劑1756HS（主要成分為馬來酸酐化聚丁二烯），橡膠黏合劑RC（RC屬間、甲、白黏合劑系列）和二甲基丙烯酸鋅（zinc dimethacrylate，ZDMA）不同配比HNBR同步帶膠料的物理機械性能及HNBR與經過浸置處理的玻璃纖維線繩的黏合性，在保證HNBR同步帶具有一定的物理性能下確定各組分的最佳用量［11-15］。

1 實驗部分

1.1 原料及配方

HNBR（德國朗盛集團），牌號3446；過氧化二異丙苯（dicumyl peroxide，DCP）（國藥集團化學試劑有限公司）；三烯丙基異氰尿酸酯（triallyl isocy?anurate，TAIC）（湖南民合化工有限公司）；黏合劑1756HS（廣州市晴盛橡膠科技有限公司）；黏合劑RC（廣州市永保化工有限公司）；ZDMA（金錦樂化學有限公司）；玻璃纖維線繩（日本Porcher公司）；其他原材料和助劑均為橡膠工業常用品。

基本配方（單位：質量份）：HNBR，100；氧化鋅（ZnO），5.0；炭黑 N33040；防老劑 4010NA，1.5；硬脂酸（stearic acid，SA），1；DCP，5；硫磺（S），1；鄰苯二甲酸二辛酯（dioctyl phthalate，DOP），3；促進劑DM，1.5；TAIC，1；白炭黑，10；黏合劑1756HS、黏合劑RC和ZDMA為變量。

1.2 設備與儀器

SK160B雙滾筒煉膠機（上海拓林橡膠機械廠）；C2000E無轉子橡膠硫化儀（北京市友深電子儀器廠）；XLB-D壓力成型機（浙江湖州東方機械有限公司）；TY-4025沖片機（江都市天惠試驗機械有限公司）；LX-A橡膠硬度計（上海倫捷機電儀表有限公司）；TCS-2000電腦系統拉力試驗機。

1.3 試樣制備

先將HNBR塑煉至橡膠能夠包輥（輥間距為1 mm～2 mm），接著加入ZnO、SA、防老劑、白炭黑、ZDMA、促進劑DM進行混煉，待混煉均勻后加入炭黑、DOP、TAIC進行二次混煉，二次混煉均勻后加入黏合樹脂混煉。混煉均勻后進行翻煉，左右各5到10次。最后加入DCP和硫磺，薄通讓膠料混合均勻，將輥距調為3 mm下片得到混煉膠。混煉膠放置1 d后進行硫化曲線測試，將混煉膠模壓硫化制樣。硫化膠試樣放置1 d后進行性能測試。

1.4 性能測試

按照IOS4647—1982的國際標準（H抽出法）測試橡膠與玻璃纖維線繩之間的黏合力。將單根玻璃纖維線繩拉直狀態下與混煉膠一起放入模具中于160℃加壓硫化30 min，使其黏合在一起形成硫化膠塊。然后用拉力試驗機測試，測定把每厘米的單根玻璃纖維線繩從硫化膠塊中完全抽出時最大力的大小來表征橡膠和玻璃纖維線繩之間的黏合性能。

測定混煉膠在160℃下的硫化曲線，將混煉膠于模具中160℃加壓硫化得到硫化膠，在沖片機下制成標準的啞鈴狀樣條。按照GB/T528—2009和GB/T3686—1998測試硫化膠樣條的拉伸強度、拉斷伸長率、永久形變率等物理機械性能。

2 結果與討論

2.1 硫化劑體系對HNBR膠料性能的影響

DCP單用和DCP與S并用對HNBR膠料性能的影響如表1所示。

從表1中可以看出DCP和S并用時最大轉矩和最小轉矩的差值（MH-ML）比單獨使用DCP時的大，說明DCP和S并用的硫化體系可以提高HNBR的交聯密度。這是因為HNBR中有部分雙鍵存在，S能使雙鍵形成交聯。從表1看出，S的加入相較于單獨使用DCP可以有效地提高HNBR的拉伸性能和黏合力，而且邵氏硬度的值幾乎不變，但拉伸永久形變率有增大的趨勢。

綜上所述，DCP和S并用的硫化體系能夠提升HNBR物理性能，黏合性能也有增強，故后續實驗配方設計采用DCP和S并用。

表1 硫化體系對HNBR膠料性能的影響Tab.1 Effects of vulcanization system on performance of HNBR compounds

2.2 白炭黑用量對HNBR膠料性能的影響

圖1是白炭黑用量對HNBR膠料拉伸強度及HNBR膠料和玻璃纖維線繩之間黏合力的影響。從圖1中可以看出隨著白炭黑用量的增加HNBR膠料的拉伸強度下降，且下降趨勢逐漸變緩，10 phr白炭黑用量和12 phr時的變化已不大。隨著白炭黑用量的增加HNBR膠料和玻璃釬維線繩黏合力增大，增大幅度先快后慢，10 phr和12 phr白炭黑的用量對黏合力影響不大。

圖1表明增加白炭黑會提升黏合性能但會降低拉伸強度，由于后續試驗會加入黏合劑及能提高黏合能力的ZDMA，這些試劑會在提高橡膠的黏合性能的同時降低其拉伸性能。綜合考慮該試驗選定白炭黑份數為10 phr。

圖1 白炭黑用量對HNBR拉伸強度及HNBR膠料與玻璃纖維線繩之間黏合力的影響Fig.1 Effects of carbon-white amount on tensile strength HNBR and adhesion of HNBR and fiber rope

2.3 黏合劑RC、黏合劑1756HS及ZDMA的用量對HNBR膠料性能的影響

試驗中的變量為ZDMA用量、RC用量和1756HS用量，采用正交試驗，試驗的因子和水平如表2所示。采用L9（34）正交設計，試驗安排和結果如表3所示，數據計算如表4所示。表3的第4列和表4的第13～16行為空白列（行），用于正交試驗的輔助計算和結果分析。

表2 試驗的因素和水平Tab.2 Factors and levels of tests

表3 試驗設計和試驗結果Tab.3 Test design and results of tests

表4 正交實驗數據計算Tab.4 Data calculation of orthogonal experiment results

從表4中可以看出ZDMA、1756HS、黏合劑RC對HNBR拉伸強度均有較大影響：ZDMA影響最大，1756HS次之，黏合劑RC影響最小。而且三變量均在1水平時拉伸強度最大，說明增加ZDMA、1756HS和黏合劑RC的份數反而會降低HNBR膠料的拉伸強度。

HNBR的拉伸永久形變率是ZDMA、黏合劑RC和1756HS均在1水平時最小：ZDMA對其影響最大，黏合劑RC其次，1756HS對拉伸永久形變率幾乎沒有影響。加入ZDMA、黏合劑RC和1756HS，雖然可以改善膠料的黏合性能但同時也會破壞橡膠的結構導致橡膠的回彈性變差。

計算3個變量對HNBR黏合性能的極差G=K/K空有G（ZDMA）=4.2，G（RC）=1.9，G（1756HS）=0.5，計算結果表明 ZDMA 和黏合劑RC能有效地提高HNBR膠料與玻璃纖維線繩之間的黏合力，ZDMA的影響因素最大，而黏合劑1756HS的用量對其影響不大。對表4中K值比較可以看出對于黏合力，ZDMA 3水平因素、黏合劑RC 3水平因素、1756HS 2水平因素時性能最好。

經數據計算和試驗驗證確定11 phr ZDMA，5 phr RC，3 phr 1756HS時能夠滿足HNBR同步帶對膠料的物理機械性能和黏合性的要求。

3 結 語

1）DCP和S并用的硫化體系可以有效地提高HNBR膠料的拉伸性能和黏合性能。

2）白炭黑的用量在一定范圍內能夠明顯地提高HNBR與玻璃纖維線繩之間的黏合力，但隨著用量的增加黏合力增加幅度變小，且降低HNBR膠料的拉伸性能。

3）1756HS的用量對HNBR膠料與玻璃纖維線繩之間的黏合力影響不大。ZDMA和黏合劑RC能夠有效地提高HNBR膠料與玻璃纖維線繩之間的黏合力。

4）ZDMA、1756HS和黏合劑RC對HNBR膠料拉伸強度有較大影響。

［1］THORMER J，MIRZA J，SZENTIVANYI O，etal.Crosslinking system effect on processing behavior and performance profile of HNBR ［J］.Rubber World，1989，201（2）：25.

［2］禹權，黃承業，葉素娟.氫化丁腈橡膠的研究進展［J］.特種橡膠制品，2006，27（2）：56-62.

［3］SAMUI A B，DALVI V G，CHANDRASEKHAR L，et al.Interpenetrating polymernetworksbased on nitrile rubber and metalmethacrylates［J］.Journal of Applied Polymer Science，2006，99（5）：2542-2548.

［4］姜曉青.朗盛氫化丁腈橡膠在密封墊片中的應用［J］.橡膠科技市場，2011，9（5）：46.

［5］謝忠麟.氫化丁腈橡膠的特殊品種及應用［J］.橡膠科技，2008，6（15）：11-14.

［6］BHATTACHARJEE S，BHOWMICK A K，AVASTHI B N.High pressure hydrogenation of nitrile rubber：thermodynamics and kinetics ［J］. Industrialand Engineering Chemistry Research，1991，30（6）：1086-1092.

［7］張敦.橡膠同步帶的研制［J］.橡膠工業，2002，49（1）：37-39.

［8］吳貽珍.HNBR及其在汽車傳動帶中的應用［J］.橡膠工業，2002，49（4）：215-221.

［9］劉瑞江，張業旺，聞崇煒，等.正交試驗設計和分析方法研究［J］. 實驗技術與管理，2010，7（9）：52-55.

［10］王貝貝，肖建斌.用正交試驗法研究丁腈橡膠的吸水膨脹性能［J］. 橡塑技術與裝備，2011，33（8）：6-9.

［11］LU Y L，LIU L，YANG C，et al.The morphology of zinc dimethacrylatere inforced elastomers investigated by SEM and TEM［J］.European Polymer Journal，2005，41（3）：577-588.

［12］王聿衡，彭宗林，張勇，等.原位生成ZDMA補強HNBR 性能的研究［J］.橡膠工業，2006，53（1）：10-15.

［13］王增林，李再峰，孫寶全，等.甲基丙烯酸鋅/炭黑增強氫化丁腈橡膠的性能［J］.合成橡膠工業，2011，34（3）：218-222.

［14］劉大偉.橡膠增強用玻璃纖維浸潤劑偶聯劑討論［J］.玻璃纖維，2017，45（2）：14-16.

［15］董文武，朱黎瀾，謝上盛.橡膠粘合增強劑硼酰化鈷硼含量的測定機器對膠料性能的影響［J］.橡膠科技，2016，13（9）：14-16.