整體式橡膠履帶用膠料抗切割性能的配方影響因素研究

楊瑞蒙，肖程遠，譚蓮影，呂秀鳳，黃良平

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

整體式橡膠履帶是一種橡膠與纖維材料復合而成的環(huán)形橡膠帶（見圖1），與金屬履帶相比，其具有接地壓力小、振動噪聲低、不損傷路面、質量小、速度快、可多路況運行等優(yōu)點[1]，但其在沙石路面行駛時容易損壞。良好的抗切割性能有助于防止橡膠履帶早期損壞和延長其使用壽命。因此，研究膠料的抗切割性能對橡膠履帶相當重要。

圖1 整體式橡膠履帶示意

20世紀70—80年代，橡膠履帶主要用于農用收割機、工程機械和運輸車輛等領域，但隨著材料技術的迅猛發(fā)展，近年來橡膠履帶也逐漸拓展到軍事裝備領域，因此對橡膠履帶的膠料性能，例如抗切割性能、生熱性能及使用壽命等要求也越來越嚴苛。本工作主要研究主體材料、補強體系和硫化體系等配方因素對整體式履帶膠料抗切割性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，泰國泰華橡膠樹膠有限公司產品；丁苯橡膠（SBR），牌號1502，中國石油吉林石化公司產品；抗硫化返原劑SR534D和Y-GL，上海君宜化工有限公司產品；抗撕裂助劑AD-1600，上海怡創(chuàng)化工有限公司產品。

1.2 基本配方

NR/SBR 100，補強體系 48，氧化鋅 5，硬脂酸 2，古馬隆樹脂 5，防老劑 5，硫化體系3.7，其他 3.3。

1.3 主要設備和儀器

CF-1L密煉機，東莞市昶豐機械科技有限公司產品；160×320型開煉機，上海橡膠機械廠產品；Y33-50A型平板硫化機，江西萍鄉(xiāng)無線電專用設備廠產品；RCC-1型橡膠動態(tài)抗切割試驗機，北京萬匯一方科技發(fā)展有限公司產品。

1.4 試樣制備

采用兩段混煉工藝。一段混煉在密煉機中加入生膠、活化劑、防老劑、補強劑等混煉均勻，二段混煉在開煉機上加入一段混煉膠、硫黃和促進劑混煉均勻。膠料硫化條件為150 ℃×20 min。

1.5 性能測試

膠料的抗切割性能采用動態(tài)切割量表征，其測試方法為采用具有一定沖擊力的刀具，以固定頻率2 Hz反復撞擊旋轉速度為720 r·min-1的圓形試樣，記錄試驗20 min后試樣的質量變化。

2 結果與討論

2.1 主體材料

整體式履帶膠料主體材料采用NR/SBR并用。考察NR/SBR并用比對膠料阿克隆磨耗量和動態(tài)切割量的影響。NR/SBR并用比為100/0，90/10，80/20，70/30的膠料（采用炭黑N219）阿克隆磨耗量分別為1.47，1.41，0.37，0.26 cm3，動態(tài)切割量分別為2.54，2.77，3.01，3.55 g。

上述結果表明，隨著SBR并用量增大，膠料的磨耗量逐漸減小，耐磨性能提高，但動態(tài)切割量逐漸增大，抗切割性能下降。從分子結構分析，SBR較NR分子中有位阻較大的苯環(huán)側基，其沖擊韌性和抗撕裂性較差，在SBR并用量較大時膠料的動態(tài)切割量較大，抗切割性能較差。NR/SBR并用比為80/20時，膠料的耐磨和抗切割性能較好。

2.2 補強體系

2.2.1 炭黑

主要考察幾種細粒子炭黑對膠料抗切割性能的影響。采用炭黑N219，N234，N330，DZ-13的膠料（NR/SBR并用比為80/20，下同）的動態(tài)切割量分別為3.04，2.58，2.82，2.79 g。炭黑DZ-13用量為12，22，27，32，42份的膠料（采用15份白炭黑921，無古馬隆樹脂）的動態(tài)切割量分別為3.80，3.38，2.87，2.36，1.98 g。

上述結果表明：這4種炭黑對膠料抗切割性能影響由好到壞的順序為炭黑N234，DZ-13，N330，N219，這基本上與炭黑對膠料補強性能影響的規(guī)律相近[2]；隨著炭黑用量增大，膠料的動態(tài)抗切割性能提高。這是因為隨炭黑用量增大，膠料的抗撕裂性能和抗切割性能逐漸提高。炭黑N234的比表面積和結構度均很高，補強性最好，其膠料的抗撕裂強度最高，抗切割性能最好；炭黑DZ-13和N330補強性次之，而炭黑N219雖然比表面積較炭黑N330小，但其結構度較低，補強性最差，因此其膠料抗切割性能最差。

2.2.2 白炭黑

保證炭黑（N219）與白炭黑總用量一定（48份），考察采用15份白炭黑921和7000GR對膠料抗切割性能的影響。

未添加白炭黑、添加15份白炭黑921和添加15份白炭黑7000GR膠料的動態(tài)切割量分別為3.04，2.77，2.55 g。

上述結果表明，添加白炭黑可提高膠料的抗切割性能，與未添加白炭黑的膠料相比，添加15份白炭黑921的膠料動態(tài)切割量減小10%，添加15份白炭黑7000GR的膠料動態(tài)切割量減小16%。可見，白炭黑7000GR的補強效果優(yōu)于白炭黑921。這主要是因為與炭黑相比，白炭黑表面氫鍵作用強，形成的聚集體比炭黑牢固，結構度和比表面積較大，可提高膠料的拉伸強度及抗撕裂性能，進而提高抗切割性能；白炭黑7000GR屬于高分散性白炭黑，具有獨特的聚集體結構，分散和補強效果比白炭黑921好，因此添加白炭黑7000GR的膠料抗切割性能優(yōu)于添加白炭黑921的膠料。

2.3 硫化體系

考察硫化體系的類型及促進劑用量對膠料抗切割性能的影響。采用普通硫化體系（CV）、半有效硫化體系（SEV）、有效硫化體系（EV）膠料（采用33份炭黑N219和15份白炭黑921，無古馬隆樹脂）的動態(tài)切割量分別為2.43，2.96，3.75 g，溶脹指數分別為3.18，2.63，2.27。SEV體系促進劑CZ用量為1.5，1.7，1.9，2.1份的膠料（采用33份炭黑N219、15份白炭黑921和1.6份硫黃，無古馬隆樹脂）的動態(tài)切割量分別為2.96，3.10，3.40，3.60 g。

上述結果表明，CV膠料的抗切割性能最好，SEV膠料次之，EV膠料最差。從形成的硫化鍵類型來看，CV生成的大多數為多硫鍵，鍵長且柔順，受到外力時易發(fā)生互換重排，提高了膠料抵抗應力集中的能力，因此膠料的抗切割性能較好；EV形成的硫化鍵以單硫鍵和雙硫鍵為主，鍵短且剛性大，受外力易斷裂，因此膠料的抗切割性能較差。

從SEV體系促進劑CZ用量的影響看，隨著交聯(lián)程度增大，膠料的抗切割性能下降[3]，這與硫化體系的影響結果相對應，即CV膠料的溶脹指數最大，說明其交聯(lián)程度最低，抗切割性能最好，而EV膠料的溶脹指數最小，說明其交聯(lián)程度最高，抗切割性能最差。

2.4 功能助劑

主要考察2種功能助劑對膠料抗切割性能的影響。未添加功能助劑、添加1份抗硫化返原劑SR534D和添加1份抗硫化返原劑SR534D/2份抗撕裂助劑AD-1600的膠料（采用32份炭黑DZ-13、15份白炭黑921、3.4份硫化體系和2.3份其他助劑，無古馬隆樹脂）的動態(tài)切割量分別為2.95，2.53，2.26 g。

上述結果表明，與未添加功能助劑的膠料相比，添加抗硫化返原劑SR534D的膠料動態(tài)切割量減小14%，添加抗硫化返原劑/抗撕裂助劑AD-1600的膠料則減小23%。抗硫化返原劑SR534D為新型多官能丙烯酸酯類化合物，可生成新的交聯(lián)鍵，補償硫化返原時斷裂的交聯(lián)鍵，從而保證膠料的物理性能；抗撕裂助劑AD-1600是帶功能基團的烴類樹脂，可以顯著提高膠料的抗龜裂和撕裂性能，因此添加抗硫化返原劑SR534D/抗撕裂助劑AD-1600均有利于膠料抗切割性能的提高。

3 結論

（1）NR與SBR并用可提高膠料的耐磨性能，但對抗切割性能不利，NR/SBR并用比為80/20的膠料耐磨性能和抗切割性能較好。

（2）膠料的抗切割性能隨炭黑用量增大而提高，炭黑種類對膠料抗切割性能的影響與對膠料補強性能影響的規(guī)律相近，并用白炭黑有利于改善膠料的抗切割性能。

（3）采用普通硫黃硫化體系的膠料抗切割性能最好，膠料的抗切割性能隨著交聯(lián)程度的增大而降低。

（4）添加抗硫化返原助劑和抗撕裂助劑對膠料的抗切割性能有利。