返煉工藝對丁腈橡膠性能的影響分析

王汝宏 朱常才 王治安

摘要：研究混煉膠返煉工藝對航空用丁腈橡膠硫化性能，硫化膠的物理機械性能、填料分散性的影響。結果表明，增加返煉過程中薄通次數能夠有效地降低混煉膠的門尼粘度，混煉膠可塑性提高。不同牌號的丁腈橡膠薄通次數對其硫化性能影響不同。一定程度上增加薄通次數能夠提高丁腈硫化膠的物理機械性能，薄通次數過多，剪切對膠料分子鏈破壞導致硫化膠性能降低。有效地返煉能夠使膠料貯存過程中產生的配合劑偏析均勻化，提高填料分散性。

關鍵詞：丁腈橡膠;返煉;薄通次數;硫化性能;物理性能;配合劑分散

混煉膠經過生產銷售然后再加工，期間需要儲存較長的時間，一定時間的停放對混煉膠中的炭黑與各種助劑的分散以及膠料中應力松弛有益[1]，但橡膠混煉膠隨著存儲期的延長，膠料硬度會顯著增加，結合膠含量增加[2]，炭黑結合橡膠逐漸增多，膠料微觀結構發生變化。混煉膠存儲時間延長，導致橡膠分子間、橡膠分子與配合劑和補強劑之間發生微觀間隙，配合劑和補強劑與橡膠分子之間的相互作用降低[3]，同時停放或儲存時間過長，炭黑聚集體在停放過程中會出現一定程度的團聚[4]，極性配合劑之間會發生遷移聚集，使炭黑與配合劑的分散性降低，混煉膠門尼粘度升高。混煉膠儲存時間過長，也會嚴重影響膠料與金屬材料之間的粘合。本文主要對研究返煉工藝對較長存儲期的丁腈橡膠性能的影響。

1.實驗

1.1 主要原材料

丁腈橡膠混煉膠（NBR），牌號5080F、2-5019，生產廠家某材料研究院。丁腈橡膠混煉膠5080F儲存時間為187天，丁腈橡膠混煉膠2-5019儲存時間為468天。

1.2 主要設備與儀器

BL-6175BL型雙輥開煉機，寶輪精密檢測儀器有限公司產品;MV2000型門尼粘度儀和MDR2000型無轉子硫化儀，美國ALPHA公司產品;HS-100T-RTMO型平板硫化機，深圳佳鑫電子設備科技有限公司產品;Z005型橡膠電子拉力機，德國Zwick公司產品;邵氏A硬度計，高鐵科技股份有限公司產品;JSM-7500F型場發射掃描電子顯微鏡和INCA PentaFETX3型X射線能譜儀，日本電子株式會社產品;

1.3 混煉膠的返煉及硫化

返煉：

丁腈橡膠5080F返煉過程中先將開煉機輥溫設定為45oC，輥距大小調為1 mm加入丁腈橡膠混煉膠5080F，使膠料包輥，左右割刀3次下片，然后將輥距調為0.2 mm，分別薄通打三角包0，2，10，20次，最后將輥距調為2 mm下片。

丁腈橡膠2-5019返煉過程中輥溫設定為45 oC，返煉過程中輥距與丁腈橡膠5080F返煉過程中輥距相同，丁腈橡膠2-5019返煉過程中薄通打三角包的次數分別為0， 2， 6， 12次。

硫化

將膠料在常溫下停放4小時后，采用無轉子硫化儀測試返煉后混煉膠的硫化性能，丁腈橡膠5080F和2-5019的硫化溫度設定為151oC，硫化儀測試時間為60 min。將返煉后的混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為151oC/10 MPa× 40 min。

1.4 性能測試

混煉膠的門尼粘度測試按照GB/T1232-2000標準進行測試，門尼粘度值采用ML1+4100℃;硫化膠的拉伸性能按照GB/T 528-1998標準測試，啞鈴型試樣，拉伸速率為500 mm/min;撕裂強度按照GB/T 529-1999標準測試，直角試樣，撕裂拉伸速度為500 mm/min;硫化膠的邵爾A型硬度按照GB/T 531-1999標準測試。

2.結果與討論

2.1 薄通次數對硫化性能的影響

表1和表2為丁腈橡膠5080F和2-5019的門尼粘度和硫化性能參數，從表中可以看出，薄通次數增加，膠料的門尼粘度降低，當薄通次數達到6次時繼續增加薄通次數門尼粘度值穩定在一定的范圍內，說明薄通次數達到6次以后膠料內部填料和助劑基本分散均勻，同時由于停放過程中產生的結構化基本全被破壞，混煉膠內部聚集的橡膠分子鏈分散均勻，繼續增加薄通次數對門尼粘度不會再發生較大的變化;薄通次數對膠料2-5019硫化過程中最大轉矩有一定的影響，返煉次數增加最大轉矩有所減低，但變化較小，返煉過程對膠料分子鏈有一定的破壞性，返煉過程中機械剪切力使分子鏈發生斷裂，但合成橡膠而言難于進行機械塑煉，返煉過程對其分子鏈破壞較小，所以硫化過程中最大轉矩變化較小。但是為了保證膠料性能，避免返煉對膠料分子鏈產生較大的破壞，要嚴格控制返煉次數，保證膠料內部填料和助劑充分分散的情況下避免混煉膠的過煉。

混煉膠焦燒時間的長短對加工安全性以及硫化過程中的沖模性有非常重要的意義，從丁腈橡膠5080F和2-5019硫化性能參數中焦燒時間t10可以看出返煉工藝中薄通次數對膠料的焦燒時間影響較小，說明在實驗范圍內返煉不會使膠料產生早期硫化，保證了膠料在返煉過程中的安全性，使混煉膠在硫化過程中的具有充足的流動時間，保證膠料能夠完全充滿模具型腔。

返煉工藝中薄通次數對2-5019的硫化時間t90有一定的影響，薄通次數從0次提高到2次，膠料的硫化時間延長接近6分鐘，這可能是由于混煉膠在存儲過程中硫化劑以及助劑分散不均造成的。從膠料的門尼粘度和硫化性能可以看出，5080F和2-5019存在明顯的不同，薄通次數對膠料5080F的硫化時間影響較小，5080F和2-5019混煉膠配方存在明顯的差異，從而導致兩種膠料的門尼粘度和硫化性能存在明顯的差異。

2.2薄通次數對硫化膠物理性能的影響

返煉過程中薄通次數對5080F和2-5019膠料性能的影響見表3和表4。對于膠料5080F而言，薄通次數對硫化膠的拉斷伸長率影響較小;薄通次數的增加，撕裂強度在薄通0-10次時變化較小，薄通20次后撕裂強度有較大的提高，定身應力先增大后減小，變化量在2 MPa左右，硬度基本不變;斷裂伸長率在不同的薄通次數下變化較小。薄通次數對膠料2-5019硫化膠的拉斷伸強度影響較小，不同薄通次數下硫化膠拉伸強度之間相差小于1 MPa，100%、300%定伸應力之間相差同時也小于1 MPa，硫化膠的硬度保持不變，說明返煉工藝中薄通次數對膠料2-5019硫化膠的拉伸強度、定伸應力和硬度影響較小;薄通次數增加，2-5019硫化膠的斷裂伸長率降低，但是伸長率的變化量小于10 %，且硫化膠斷裂伸長率大于400%，此范圍內斷裂伸長率的變化對膠料的使用性能基本無影響。對膠料2-5019薄通次數增加硫化膠的撕裂強度先增加后減小。

硫化膠的定定伸應力和硬度能夠體現硫化膠在抵抗外力變形的能力，對于膠料2-5019薄通次數變化對其定伸應力和硬度影響較小，說明薄通次數對膠料2-5019抵抗外能力的影響較小。對于膠料5080F在在一定的范圍內薄通次數增加（0-10次），硫化膠抵抗外力變形的能力提高，對于丁腈橡膠生產的密封制品使用過程中抵抗擠壓變形的能力有益，能夠防止使用中由于外力作用制品的變形造成的系統漏油。對于航空密封件而言，防止使用過程中的震動磨損也是至關重要的，對于活動密封件磨耗的主要形式為卷曲磨耗，定伸應力的提高對硫化膠制品抗卷曲磨耗有利，同時對抵抗一般的使用磨損也有一定的作用。所以薄通次數的增加，對膠料5080F制品抗磨損性能有一定的益處。

3.結論

（1）返煉工藝中薄通次數對丁腈橡膠的硫化性能影響較小，薄通次數增加，丁腈橡膠混煉膠的門尼粘度降低，通過薄通混煉膠在存儲過程中產生的結構化被破壞，填料和助劑進一步分散，降低混煉膠中結合膠的含量，破壞存儲過程中分子鏈產生的聚集，使混煉膠更加內部結構更加均一，有利于硫化過程中膠料的充模性。

（2）保證有效的薄通次數對丁腈橡膠的性能有所改善，尤其是對于提高膠料的定伸應力有利，定身應力的提高有助于丁腈橡膠密封制品抗外力變形能力的提高，同時有效的薄通次數能夠使膠料內部填料分散以及膠料內部結構更加均勻，減少由于填料聚集產生的應力集中，提高橡膠的綜合性能，不至于產生由于混煉膠的過煉使膠料的性能降低。

（3）未返煉的混煉膠內部存在明顯的配合劑以及填料的聚集，返煉過程中保證有效的薄通次數能夠避免由于填料以及配合劑聚集對膠料性能的影響，對于存儲時間較長的混煉膠必須保證充分的返煉，避免由于配合劑與填料聚集對最終制品性能的影響。

參考文獻

[1] 君軒， 混煉膠停放. 世界橡膠工業， 2010. 37（10）： 第43頁

[2] Leblanc J L. An extaction kinetics method to study the morphology of carbon black filled rubbercompound[J]. J ApplPolymSci， 1997， 63（8）： 959-970

[3] 李再琴， 劉強與焦清偉， 全鋼載重子午線輪胎胎面混煉膠停放時間對擠出效果的影響. 輪胎工業， 2019. 39（02）： 第111-113頁