氯丁膠替代天然橡膠支座保護層的研究

張譽嚴

（云南煤化工應用技術研究院，云南 昆明 650000）

氯丁膠的物理機械性能與天然橡膠相似，屬于自補強橡膠，具有較高的拉伸強度和扯斷伸長率。氯丁橡膠分子鏈的雙鍵上連接有氯原子，使得雙鍵和氯原子都不活潑。因此，其硫化膠耐老化性能大于天然橡膠，僅次于乙丙橡膠和丁基橡膠。同時氯丁膠本身不自燃，其耐燃性能是通用橡膠中最好的。最后，由于氯丁膠含有極性氯原子，所以其耐油性也強于天然橡膠[1]。綜上，氯丁膠作為保護層膠有其天生的優(yōu)勢。

通常，隔震支座保護層膠和內(nèi)層膠以一種膠料為主體材料。根據(jù)不同的使用工況添加不同的配合劑以達到使用要求。

本工作研究氯丁膠作為保護層膠替代原有的天然橡膠保護層膠是否可行。替代后在物理性能、老化性能、低溫性能產(chǎn)生的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

CR，牌號SN121（硫磺調節(jié)型），SN231（非硫磺調節(jié)型），山納合成橡膠有限責任公司產(chǎn)品；NR，牌號SCR-5#，云南農(nóng)墾集團產(chǎn)品；炭黑N330，云南云維飛虎化工有限責任公司產(chǎn)品，其余配合劑均為橡膠工業(yè)市售品。

1.2 基本配方

1.2.1 氯丁膠保護層配方

CR，100；氧化鋅，變量；氧化鎂，變量；硬脂酸，變量；石蠟，2；防老劑D，1.5；防老劑4010NA，1.5；炭黑N330，變量；松焦油，8。

1.2.2 天然膠保護層配方

NR，100；硫磺，1；促進劑NOBS，2；氧化鋅，4；硬脂酸，5；石蠟，2；防老劑D，1.5；防老劑4010NA，1.5；炭黑N330，50；松焦油，8。

1.3 主要設備和儀器

開煉機，S(X) K-160A 型，上海橡膠機械廠；試驗平板硫化機，25t，無錫陽明橡膠機械有限公司；電子萬能拉力試驗機，RGM-5A 型，深圳市瑞格爾儀器有限公司；無轉子硫化儀，MR-C3 型，北京環(huán)峰化工機械試驗廠；橡膠硬度計，XHS-A 型，營口材料試驗廠；老化實驗箱，401A 型 上海市實驗儀器總廠；耐臭氧試驗機，UA-2074，優(yōu)肯科技股份有限公司；橡塑低溫脆性測定儀，MZ-4068，江蘇明珠試驗機械有限公司。

1.4 試樣制備

1.4.1 氯丁膠保護層試樣

將氯丁膠放入開煉機上薄通1～2min 后，打開輥距，加入氧化鋅、氧化鎂、硬脂酸、石蠟、防老劑D、防老劑4010NA。待加料完畢后，加入炭黑和松焦油。薄通打6 個三角包下片，停放8h 后使用。

1.4.2 天然膠保護層試樣

將天然膠放入開煉機上薄通1～2min 后，打開輥距，加入硫磺，促進劑NOBS，氧化鋅，硬脂酸，石蠟，防老劑D，防老劑4010NA。待加料完畢后，加入炭黑和松焦油。薄通打6 個三角包下片，停放8h 后使用。

以上膠料均在25T 平板硫化機上硫化，硫化條件為130℃×1h。

1.4.3 保護層和內(nèi)層膠黏接試驗試樣

取2～3mm 厚的圍條膠和內(nèi)層膠膠片上下重疊放入模具中，50mm 貼合黏接，50mm 隔離開來。試樣的形狀和尺寸如圖1 所示。在25T 平板硫化機上硫化，硫化條件為130℃×1h。

做線性的黏接強度如圖2 所示。

圖1 試樣的形狀和尺寸

圖2 黏接強度測試

1.5 測試分析

硫化性能按GB/T9869-2014 測試；硫化膠拉伸強度和伸長率按GB/T528-2009 測試；邵爾A型硬度按GB/T531.1-2008 測試；熱空氣老化按GB/T3512-2014 測試；臭氧老化按GB/T7762-2014 測試；低溫脆性按GB/T1682-2014 測試；線性黏接強度按GB/T15254-2014 測試。

2 結果與討論

2.1 主體材料

根據(jù)實際工況設定130℃的硫化條件。對SN121（硫磺調節(jié)型）和SN231（非硫磺調節(jié)型）的氯丁膠進行對比實驗，結果如表1 所示。

表1 兩種型號的CR 對比

由表1 可見，在130℃的條件下，硫磺調節(jié)型的氯丁膠（SN121）可以在1h 內(nèi)硫化完全。而非硫磺調節(jié)型的氯丁膠（SN231）的t90 遠遠超出2h，硫化速度太慢，所以選擇氯丁膠（SN121）作為代替隔震支座保護層膠的主體材料。

2.1 硫化體系

為了用氯丁橡膠保護層膠替代現(xiàn)有的天然膠保護層膠，需要保證二者的硫化特性基本相似，所以選擇了硫化速度較慢的金屬氧化物體系[2]。通過實驗對比了不同的氯丁膠配方，找到了合適的硫化體系。不同配合劑配比的氯丁膠保護層配方和天然膠保護層配方的門尼黏度和硫化特性如表2 所示。

從表2 看出，配方1 和配方3，氧化鋅用量提高，氯丁膠硫化速度顯著加快。∣MH-ML∣值增大，是由于硫化膠的交聯(lián)密度提高引起的。通過配方1 和配方2 可以看出，在氧化鋅和氧化鎂并用的時候，氧化鎂起到輔助硫化的作用，硫化劑主要是氧化鋅[3]，因為氧化鎂的加入對∣MHML∣的貢獻并不明顯，二者的交聯(lián)密度相差不大。通過配方2 和配方3 可以看出，只加入氧化鎂的時候，氧化鎂也能作為硫化劑參與硫化，但效果不如氧化鋅明顯，二者的∣MH-ML∣相差較大，配方3 的交聯(lián)密度小于配方2。通過配方1 和配方4 可以看出硬脂酸在氯丁膠配方中起到延遲硫化的作用。通過和天然橡膠保護層的配方硫化特性的對比，選擇在氯丁膠保護層配方3 的基礎上繼續(xù)試驗。

表2 不同配合劑配比的氯丁膠保護層配方和天然膠保護層配方對比

2.3 填料

氯丁膠的純膠配方的硬度比天然膠純膠配方的硬度高。從實際使用的角度上來說，作為替代的膠料應該各項性能接近，在某些重要的方面有所加強。礦物填料會加快氯丁膠降解，炭黑可以起到熱穩(wěn)定劑的作用[4]。所以選用了炭黑作為填料。

不同炭黑用量對膠料性能影響如表3 所示。

表3 不同炭黑用量對膠料性能影響

從表3 中看出，隨著N330 的用量增加氯丁膠膠料強度增加，伸長率下降，當N330 用量超過40 份后強度不再增加，伸長率急劇下降。N330 用量為30 份時，氯丁膠保護層配方的性能和天然膠保護層配方的性能基本保持一致。

2.4 最終確定的配方和天然膠保護層配方的性能對比

綜上所述，最終確定的氯丁膠保護層配方為：

CR，100；氧化鎂，3；硬脂酸，5；石蠟，2；防老劑D，1.5；防老劑4010NA，1.5；炭黑N330，30；松焦油，8。

氯丁膠保護層配方和天然膠保護層配方膠料性能如表4 所示。

表4 氯丁膠保護層配方和天然膠保護層配方膠料性能

從表4 中看出，氯丁膠保護層在熱空氣老化和臭氧老化方面比天然膠保護層性能更佳，但是要注意耐寒性能比較差，如果隔震支座使用的環(huán)境溫度低于-20℃就不可使用。

2.5 與內(nèi)層膠料的黏接性能

保護層膠作為內(nèi)層橡膠的保護膠，需要與內(nèi)層橡膠有良好的黏接性，不可出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

兩種保護層膠與內(nèi)層膠的黏接情況如表5 所示

表5 兩種保護層膠與內(nèi)層膠的黏接

從表5 中看出，氯丁膠保護層和內(nèi)層膠黏接良好，并不存在由于內(nèi)層膠主體材料與氯丁膠不同而出現(xiàn)分層。

3 結論

1）氯丁膠保護層膠可以做到和天然膠保護層基本一致的硫化特性和物理性能，同時與內(nèi)層膠的黏接強度達到6.28N/mm，當使用溫度在-20℃以上時，完全可以替代天然橡膠作為天然橡膠隔震支座的保護層膠。

2）氯丁膠作為保護膠在熱空氣老化和臭氧老化方面有較大改善。但在低于-20℃的溫度下不能繼續(xù)使用。