全鋼胎面膠料配方齒輪式濾膠的實驗研究

隋志華，唐紹書，張萌，葉旺，汪傳生，邊慧光

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

濾膠機[1]作為高品質膠料擠出成型工藝中的最終環節，能夠過濾混煉過程中混入的雜質，再次分散小料，細化膠料，精細濾膠且對膠料的分子鏈有一定的取向作用，與未過濾的膠料相比，能很好的提升膠料質量，在對膠料要性能一定要求的領域，濾膠機一直發揮著舉足輕重的作用,濾膠機分為螺桿式濾膠機[2]和齒輪[4]。且有大量的科研人員從各個方面研究齒輪泵,如齒輪泵優化設計[5], 齒輪泵的噪聲控制技術[6]這些均表明齒輪泵式濾膠機的發展前景較為廣闊。

本文利用自主研發的雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機來過濾全鋼胎面膠料，研究雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機對膠料的過濾作用，并探究最佳的過濾目數。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠 泰國產小三號煙膠，炭黑N330 卡博特（中國）化學有限公司，氧化鋅ZnO、促進劑CZ 阿拉丁試劑（上海）有限公司，硬脂酸SAD 國藥集團化學試劑有限公司，防老劑RD 山東瑞祺化工有限公司，增塑劑A 、硫磺S 巴斯夫（中國）有限公司，濾網 國標304不銹鋼工業篩網 上海嘉羽五金篩網。

1.2 配方

天然橡膠 100，炭黑N330 53.5，氧化鋅ZnO 3.5,硬脂酸SAD 2，防老劑RD 1.5，增塑劑A 2，增塑劑DPHP 1.5,促進劑CZ 1，硫磺S 1.4。

1.3 主要設備和儀器

雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機 青島科技大學，密煉機X（s）0.3 青島科技大學，開煉機SK-168 上海雙翼橡膠機械廠，無轉子流變儀 MM4130C 高鐵科技股份有限公司，門尼黏度儀 UM-2050 優肯科技股份有限公司，橡膠動態加工分析儀 RPA2000,動態熱機械分析儀 GABOMETER-150 德國GABO公司，平板硫化劑 QLB-400X400X2 青島亞東橡膠機械廠，橡膠硬度計 LX-A 上海六菱儀器廠，橡膠厚度計 TCN3-JSC-10 北京中西遠大科技有限公司，拉力試驗機 TS2005b 優肯科技股份有限公司，DIN磨耗試驗機 GT-2012-D 高鐵科技股份有限公司。

1.4 試樣制備

一段混煉在密煉機上進行，冷卻水溫度為50 ℃，轉速70 r/min，填充系數為0.65，上頂栓壓力為0.65 MPa[7]。具體混煉工藝如下：加入天然橡膠，混煉40 s后加入一半炭黑，混煉30 s后同時加入氧化鋅ZnO、硬脂酸SAD、防老劑RD、增塑劑A和增塑劑DPHP塑煉30 s，最后加入剩余一半炭黑，再次混煉，當密煉室溫度為155 ℃時提栓，排膠。

二段混煉在開煉機上進行，對混煉膠進行補充混煉，輥溫為（50±5）℃。具體混煉工藝如下：加入一段混煉后的母煉膠，在母煉膠中均勻加入促進劑CZ和硫磺S，在最小輥距下進行壓延，薄通五次后，將輥距調為4 mm左右下片[7]。

膠料停放24 h后，將膠料裁剪成寬為5 cm左右的膠條于雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機中擠出，其中螺桿轉速為30 r/min，齒輪泵轉速為25 r/min，機筒溫度為80 ℃[8]。

膠料濾出之后再次停放24 h，后將膠片硫化，硫化溫度設定為150 ℃，硫化壓力設定為10 MPa。

1.5 性能測試

1.5.1 門尼黏度測試

測試標準為GB/T 1232.1—2000，利用專用的裁刀裁剪試樣后放入UM-2050型門尼黏度儀模腔中進行測試，設備溫度到達設定溫度后進行測試，實驗進行三次，取其平均值。

1.5.2 硫化特性測試

測試標準為GB/T 16584—1996。設定無轉子流變儀測試時間60 min，測試溫度150 ℃，轉動角度為0.5°。取混煉膠放入無轉子流變儀模腔中進行測試。

1.5.3 動態力學性能測試

測試方法為：應變掃描溫度為60 ℃，應變掃面頻率為0.01 Hz，應變范圍0.28%~50%。取混煉膠放入RPA2000橡膠加工分析儀模腔中進行測試，每組試樣進行三次實驗，取其中值。

1.5.4 力學性能測試

測試標準為GB/T 528—1998。每組試樣測試五次，取其平均值。

1.5.5 動態黏彈性測試

溫度掃描時采用拉伸模式，掃描頻率為10 Hz，掃描時靜態應變為5%，靜態應力為70 N，動態應變為0.25%，動態應力為60 N，溫度范圍為-65 ~65 ℃，升溫速率為2 ℃/min。將試樣放入GABOMETER-150型動態熱機械分析儀模腔中進行測試。

1.5.6 硬度測試

測試標準為GB/T 231.1—2008，測試方法為國際硬度計法：測選取兩個位置相距6 mm以上的點的硬度值，測量五次選取平均值。

1.5.7 回彈測試

測試標準為GB/T 1681—1991。測試溫度條件設置為20 ℃。測試三次取平均值。

1.5.8 磨耗測試

測試標準為GB/T 9867—1988。測試三次取其平均值。

2 結果與討論

2.1 硫化性能

焦燒時間t10過短，硫化起步快，產品的性能差，易于焦燒，且操作安全性差。經過濾網過濾后的膠料的焦燒時間均增加，這說明螺桿和齒輪的剪切作用以及濾網的過濾作用起到了良好的分散作用，促進劑分散更加均勻，發揮出更大的作用。從表1可以看出，隨著濾網目數的增加，焦燒時間出現先增加后減小的趨勢，當濾網目數為150目時，焦燒時間最長，因為隨著濾網的目數增加，一些較大的小料顆粒會過濾掉，且小料相對越細，膠料內小料的份數分散越加均勻，與橡膠結合的也越好。但是濾網目數越高，濾除的填料和小料越多，與橡膠結合的也越差，焦燒時間相對縮短。

表1 濾網目數對胎面膠的硫化特性參數的影響

t90代表膠料達到正硫化時間，t90越小，膠料的硫化時間越短，即硫化反應速度越快，從圖 2中可以看出，隨著濾網目數的增加，t90出現先增加后減小的趨勢，當濾網目數為150目時，t90最小，此時膠料的硫化反應最快，獲取最佳性能所需時間最短。這說明濾網細化后的膠料，更好的分散了填料與小料，加速膠料共價鍵網絡的生成，目數越大的濾網，由于較強的過濾能力，對一些較大顆粒填料和小料也過濾出膠料，其相對減少，導致形成交聯網絡的時間增長。

MH和ML代表膠料在硫化過程中的最高轉矩和最低轉矩，在一定程度上，MH值越大，硬度越高，定伸強度越大，ML表征的是膠料的流動性，ML值越小，膠料的流動性越好，MH-ML的差值即最大轉矩值與最小轉矩值的差值可以表征膠料的交聯密度，差值越大，膠料的交聯密度越大[9]。從圖 2可以看出，隨著濾網目數的增加，MH-ML值出現先增加后減小的趨勢，當濾網目數為150目時，MH-ML值最大，此時硫化膠的交聯密度最大，交聯程度最高。表明濾網對膠料原有混亂的分子鏈進行排列，有助于交聯網絡的形成，目數高，過濾能力強的濾網由于其對填料和小料顆粒濾出較多，導致膠料交聯網絡較少。

2.2 物理性能

由表2可以看出，經過過濾后的胎面膠膠料的力學性能有著顯著的提高。并且隨著濾網目數的增加，膠料的邵爾A型硬度、100%定伸應力，300%定伸應力、撕裂強度都呈先增加后減小的趨勢。

這說明，濾網能夠很好的細化膠料，濾網提供的阻力創造了膠料承受持續應力的條件，在齒輪泵對膠料的擠壓產生了應力，應力將大量的分子鏈段取向擠壓成為整條分子鏈的取向，分子鏈之間的位置發生改變，在擠壓中，更多的分子鏈相互連接，形成更多的分子網絡，材料因此進一步的強化[10]。但提升作用并不是無限增大的。這是因為過高目數的濾網更加細化，膠料流經時所受阻力增加，造成局部紊流，膠料質量提升效果受到限制。

當濾網目數為150目時，胎面膠的拉伸強度達到23.21 MPa、撕裂強度達到60.37 kN.m-1。當濾網目數繼續增大時，拉伸強度、撕裂強度與最高的強度比有所下降，但相對于未過濾的膠料，高目數的濾網過濾后的膠料拉伸強度仍較高。

胎面膠的斷裂伸長率呈現先增加后降低的趨勢，這是因為目數越高的濾網一定程度降低了天然橡膠分子鏈及鏈段的相對運動，所以天然橡膠分子鏈和鏈段的變形能力也有一定降低，從而使胎面膠的斷裂伸長率呈現先升高后降低的趨勢。

由圖3(e)可以看出過濾后的膠料的回彈性能普遍好于未過濾的膠料，這是因為，過濾使得膠料細化，膠料間的空隙減少，回彈性能提升。隨著濾網目數的增加，橡膠試樣的回彈性能呈現出先增大后減小的趨勢。當濾網目數為150目時，膠料的回彈性能最佳，由于目數高的濾網有較強的過濾能力，對膠料內的網絡也會起到一定的排序，膠料的分子鏈網絡規整，但是填料與小料較少，形成的網絡少，回彈性相對也較差，所以會導致高目數過濾下的膠料回彈性相對目數低的較差。

由圖3(f)可以看出過濾后的膠料的耐磨性能普遍好于未過濾的膠料，且隨著濾網目數的增加，橡膠試樣的耐磨性能呈現出先增大后減小的趨勢。當濾網目數為150目時，膠料的耐磨性能最佳。這是因為過濾細化后的膠料分子柔順性好，膠料內的網絡更加致密且膠料內的氣泡少，有助于降低膠料的磨耗，但是目數越高，過濾出的填料顆粒越多，交聯網絡越少，鏈段更加容易運動，分子鏈柔順性下降，耐磨性能變差。

2.3 動態力學性能

如圖4所示，可以看出，過濾后的膠料形成的填料網絡比未過濾的膠料的填料網絡更加發達。隨著應變的增大，膠料的彈性模量G'呈下降趨勢，這一結果符合Payne效應。同時隨著濾網目數的增加，膠料的初始彈性模量增大，且隨著濾網目數的增加，膠料彈性模量下降趨勢越來越大，也就是說△G'的值增大。這說明隨著濾網目數的增加，膠料的Payne效應更加明顯，填料網絡化程度更高。

2.4 動態黏彈性能

動態黏彈性是指材料在復合交變作用下產生的力學響應，復合交變不僅包括力的變化還包括溫度和形變頻率的變化，力學響應是指針對這種變化所作出的反應能力。橡膠是一種應用比較廣泛的高彈性材料，它也有諸如以下的高彈態特征比如在不同的力或者溫度的作用下，其本身會表現與普通情況下不同的狀態，例如玻璃化轉變溫度、黏流溫度、結晶-非結晶轉變等[8]。

圖5 為濾網目數對胎面膠的動態黏彈性能的影響。

動態熱機械分析儀可以進行這項實驗，并給出儲能模量G'、損耗模量G"以及二者的比值損耗因子tanδ的變化趨勢。損耗因子tanδ表征了外力對膠料做功時，膠料產生的熱量內損，是硫化膠的重要參數之一。

圖5(a)是不同溫度下動態黏彈性曲線；圖5(b)各曲線的tanδ的峰值代表不同濾網目數下膠料的玻璃化轉變溫度(Tg)；玻璃化轉變溫度是分子鏈段能自由活動的最低溫度，達到這一溫度后，高分子由玻璃態轉變為高彈態，因此玻璃化轉變溫度是高分子運動轉變的宏觀體現，當溫度由低變高并通過這一溫度時，材料內部高分子結構形態發生改變，黏彈性隨之變化。較高的玻璃化轉變溫度意味著填料和膠料基體的結合更好，需要較高的溫度才能使得橡膠分子鏈參與到鏈段松弛的過程中，讓分子鏈的結構狀態改變。根據圖5(b)，濾網目數為150目時，tanδ峰值最高，玻璃化轉變溫度最高，這說明過濾后的膠料其鏈段尺寸較小，容易運動，再者是過濾后的膠料分子間作用力降低，膠料內網絡柔順性提高，所以膠料的玻璃化轉變溫度降低。

圖5(c)表示的是在-20~20 ℃區間tanδ的變化趨勢。0 ℃時的tanδ值可以用來表征材料的抗濕滑性能，這一溫度的tanδ值有一個較高的滯后損失就證明膠料的抗濕滑性能較好，由圖5(c)可知，當濾網目數為60目時，膠料的抗濕滑性能達到最佳，因為濾網目數小，對膠料的過濾能力相對較差,膠料的表面就相對粗糙，所以它有一個高的滯后損失。

圖5(d)表示的是在40~65 ℃區間tanδ的變化趨勢，60 ℃時的 tanδ值可以用來表征材料的滾動阻力，這一溫度的tanδ值有一個較低的滯后損失就證明膠料的滾動阻力較好，由圖5(d)可知，當濾網目數為150目時，膠料的滾動阻力達到最佳。這說明膠料在經濾網細化后，膠料的分子鏈柔順性好，滯后產生的力學損耗降低，所以有低的滾動阻力和生熱表現。

3 結論

（1） 雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機能夠很好的過濾全鋼胎面膠料,可以為橡膠的擠出成型應用提供相關技術支持。

（2） 在不同濾網目數下，因為對膠料的細化程度不同，膠料性能提升的程度也不同。當濾網目數為150目時，回彈，磨耗性能提升的幅度最大。