转子转速和薄通次数对胎面胶结构与性能的影响_王浩翔.pdf

加工应用弹性体，（）：基金项目：山东省自然科学基金项目（）作者简介：王浩翔（），男，四川德阳人，在读硕士研究生，主要从事橡胶材料的高性能化方面的研究工作。通讯联系人：孙学红（），女，山东招远人，副教授，博士，硕士研究生导师，主要从事橡胶及胶乳材料高性能化的教学及科研工作。收稿日期：转子转速和薄通次数对胎面胶结构与性能的影响王浩翔，王强，孟庆喆，王慧，孙学红（青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 ）摘要：根据普通密炼机一段混炼工艺和密炼结合开炼机低温混炼工艺，通过硫化特性、门尼黏度、效应、基本力学性能及耐疲劳性能和耐磨耗性能等测试，研究了密炼机转子转速和开炼机薄通次数对胎面胶结构与性能的影响。结果表明，改变密炼机转子转速对硫化胶的耐疲劳性能和耐磨耗性能影响较大，随着转子转速的增加，胶料的疲劳寿命先下降后提高、耐磨耗性能逐渐上升；改变薄通次数对门尼黏度、效应和基本力学性能影响较大，但对疲劳寿命和耐磨耗性能的影响不明显，薄通 次胶料的门尼黏度、效应和基本力学性能明显下降；密炼结合开炼机低温薄通工艺的混炼效果优于普通密炼机一段混炼工艺的混炼效果。关键词：转子转速；薄通次数；胎面胶；效应；力学性能；疲劳寿命中图分类号：文献标识码：文章编号：（）混炼是指通过机械剪切作用将生胶与各类配合剂混合均匀的过程，是橡胶工业中非常重要的加工流程之一，混炼工艺在很大程度上决定着橡胶制品的性能与使用寿命。诸如密炼机投料温度、转子转速、混炼时间；开炼机辊筒温度、辊距、薄通次数等混炼参数的改变均会引起混炼胶中炭黑和其他配合剂分散效果及 效应的差异，同时也会导致胶料中结合胶含量、橡胶相对分子质量及其分布、分子网络结构等发生变化，继而影响后续挤出、压延、成型及硫化等加工工艺，最终影响硫化胶的结构与使用性能。胎面胶作为轮胎制品与地面直接接触部位的胶料，其性能的优劣是影响轮胎制品使用寿命的重要因素。综合来看，轮胎胎面胶需要具备较高的耐磨性、力学性能及优异的耐疲劳性 。通常材料的性能与其内部结构密不可分，混炼工艺的不同则会引发胶料结构的差异。因此，对不同混炼工艺下胎面胶的结构与性能进行研究显得尤为重要。本文以天然橡胶（）配方胎面胶为研究对象，根据目前工厂采用的普通密炼机混炼和密炼结合开炼机低温混炼两种工艺，考察了密炼机转子转速和开炼机薄通次数对混炼胶及硫化胶结构与性能的影响，以期为高性能胎面胶的混炼工艺制定提供理论参考。实验部分原料：，西双版纳景阳橡胶有限公司；炭黑 ：工业级，天津卡博特化工有限公司；硫磺：工业级，山西长治化工有限公司；促进剂、氧化锌、硬脂酸、防老剂 、防老剂 、微晶蜡均为市售产品。仪器及设备 型橡塑试验密炼机：上海科创橡塑机械设备有限公司；型双辊筒开炼机：宝 轮 精 密 检 测 仪 器 有 限 公 司；型橡胶平板硫化机：深圳佳鑫电子公司；DOI:10.16665/ki.issn1005-3174.2022.06.010 型无转子流变仪：美国 公司；型万能电子拉力试验机：德国 公司；型橡胶立式疲劳试验机：江苏明珠试验机械有限公司；型邵尔 型硬度计：台湾高铁科技股份有限公司；型橡胶加工分析仪：美国 公司；型扫描电子显微镜（）：日本 公司。实验配方实验基本配方（质量份）为：，炭 黑 ，硫磺，促进剂 ，氧化锌，硬脂酸，防老剂 ，防老剂 ，微晶蜡。试样制备生胶塑炼称取相应质量的 置于鼓风烘箱中，于 下持续烘胶，取出后在双辊筒开炼机上薄通 次，完成塑炼。混炼工艺改变密炼机转子转速密炼机初始投料温度为，转子转速分别采取 、和 。待密炼室达到设定温度后，将 投入，加入除硫磺和促进剂之外的小料，加入一半的炭黑，加入剩余的炭黑，扫车，排胶。在开炼机上加入硫磺和促进剂，吃料结束后薄通次，调整辊距至下片，停放待用。改变开炼机薄通次数根据普通密炼工艺，设置密炼机初始投料温度为、转速为 ，待密炼室达到设定温度后，将投入，加入除硫磺和促进剂之外的小料，加入一半的炭黑，加入剩余的炭黑，扫车，排胶得到一段母炼胶。在开炼机上分别薄通次、次、次，薄通完成后继续在开炼机上加入硫磺和促进剂，吃料结束后薄通次，调整辊距至 下片停放待用。硫化工艺按照 要求对混炼胶进行冷却停放后，硫化温度为 ，硫化时间为实验测得的工艺正硫化时间（），在平板硫化机上完成所需试样的硫化。性能测试（）混炼胶性能测试：硫化特性按照 进 行 测 试；门 尼 黏 度 按 照 进行测试；效应采用橡胶加工分析仪对混炼胶进行应变扫描测试，测试温度为，频率为，应变范围为 。（）硫化胶性能测试：拉伸性能按照 进行测试；撕裂性能按照 进行测试；硬度按照 进行测试；拉伸疲劳按照 进行测试，测试条件为常温、应变为 ，频率为。（）测试：选取硫化胶疲劳前后试样，拉断后对断面进行喷金处理，通过 型扫描电子显微镜对断面微观形貌进行观察。结果与讨论混炼胶的硫化特性参数转子转速及开炼机薄通次数对混炼胶硫化特性参数的影响如表所示。表不同混炼工艺混炼胶的硫化特性参数性能（）（）（）转速（）薄通次数（次）由表可以看出，随着密炼机转子转速的增加，混炼胶的理论正硫化时间（）略有缩短，其他硫化特性参数值变化不大。随着开炼机薄通次数的增加，混炼胶的焦烧时间（）、和 变化不大，而、及（）均逐渐降低，这是因为在开炼机辊筒的强烈剪切作用下橡胶大分子链断裂，相对分子质量降低。对比而言开炼机薄通次数对混炼胶硫化特性参数的影响更大。弹性体第 卷混炼胶的门尼黏度在配方相同的条件下，门尼黏度与混炼过程中橡胶基体相对分子质量改变、配合剂分散均匀性、结合橡胶含量及是否发生焦烧等密切相关。改变转子转速和开炼机薄通次数对混炼胶门尼黏度的影响如图所示。密炼机转子转速（）（）转子转速开炼机薄通次数（次）（）薄通次数图不同混炼工艺混炼胶的门尼黏度由图可以看出，在密炼机混炼工艺中，改变转子转速对胶料门尼黏度的影响较小，转速为 时胶料的门尼黏度最低，转速升高后门尼黏度略有增大。相对而言，改变开炼机薄通次数对胶料的门尼黏度影响较大，薄通次胶料的门尼黏度与普通混炼工艺接近，薄通 次胶料的门尼黏度最高，薄通 次后胶料的门尼黏度明显降低，这主要与薄通次数过多导致发生过炼、相对分子质量降低有关，其他工艺门尼黏度变化的原因还需结合混炼胶的流变特性分析。混炼胶的 效应混炼胶应变扫描数据分析中通常用初始储能模量（）与 应变下储能模量的差值，即 效应来表征体系中炭黑的分散均匀性。通常越大，效应越强，则炭黑的分散均匀性越差。采用橡胶加工分析仪对不同工艺制备的混炼胶进行应变扫描，其 与应变的关系分别如图和图所示。应变（）密炼机转子转速（）（）图不同密炼机转子转速下混炼胶的储能模量应变关系曲线及应变（）第期王浩翔，等 转子转速和薄通次数对胎面胶结构与性能的影响开炼机薄通次数（次）（）图不同开炼机薄通次数混炼胶储能模量应变关系曲线及由图可以看出，随着密炼机转子转速增加，混炼胶的 效应先增加后降低，但差距不大，其中 胶料的 效应最低，变化趋势与门尼黏度一致。分析认为低转子转速下密炼腔内生热较低，胶料黏度高，机械剪切作用有利于提高炭黑的分散均匀性；提高转速在增大剪切作用的同时，密炼腔内升温速度快，温度升高使混炼胶黏度降 低，反 而 对 炭 黑 分 散 不 利；转 速 提 高 至 时，剪切作用进一步增大，效应略有降低，但仍高于 下的胶料。由图可知，混炼胶的 效应随着母炼胶薄通次数的增加显著降低，说明增加薄通次数能够有效提高炭黑的分散均匀性。薄通 次混炼胶的 效应与改变密炼机转速的普通密炼工艺胶料接近。炭黑分散的 表征对硫化 胶 拉 伸 断 裂 表 面 的 微 观 形 貌 进 行 分析，结果如图所示。（）（）（）（）（）开炼机薄通次弹性体第 卷（）开炼机薄 次（）开炼机薄 次图不同混炼工艺硫化胶拉伸断面 图（）由图可以看出，密炼机转子转速为 和 胶料的拉伸断面中，由于炭黑粒子分散不均聚集而形成的球形微观缺陷数目明显少于 和 的胶料，而随着母炼胶薄通次数的增加，胶料拉伸断面中炭黑粒子聚集颗粒逐渐减少，这与 效应得出的炭黑分散均匀性结果一致；另外与改变密炼机转子转速的胶料相比，改变开炼机薄通次数胶料的断面破坏形貌相对较平整。硫化胶的基本力学性能转子转速和薄通次数对硫化胶基本力学性能的影响如表所示。由表可知，随着密炼机转子转速的增加，硫化胶的力学性能呈现逐渐下降的趋势，时硫化胶的综合力学性能最高，这与此转速下炭黑分散均匀性高、形成的微观缺陷少有关。随着薄通次数的增加，硫化胶撕裂强度、拉断伸长率和硬度均降低，薄通 次胶料的拉伸强度和 定伸应力最高，薄通 次胶料的拉伸强度和定伸应力明显降低。与增大密炼机转子转速相比，增加母炼胶开炼机薄通次数对硫化胶基本力学性能的影响更明显。表不同混炼工艺硫化胶的基本力学性能性能拉伸强度 撕裂强度（）拉断伸长率 定伸应力 邵尔 硬度回弹性转速（）薄通次数（次）硫化胶的耐疲劳性能对硫化胶进行拉伸疲劳寿命测试，结果如图所示。由图可以看出，随着密炼机转子转速的增加，硫化胶的疲劳寿命先降低后增加，时硫化胶的疲劳寿命最高。橡胶的疲劳破坏是一个多因素影响的复杂过程 ，疲劳破坏初始点的引发主要与体系中的微观缺陷、化学弱键及应力集中有关，微裂纹的扩展则与橡胶基体本身的黏弹特性、老 化 稳 定 性 及 橡 胶 材 料 的 强 度 等 有关 ，硫化胶的疲劳寿命最高，分析认为此转速下体系中炭黑分散均匀性最好，且胶料的拉伸强度及撕裂强度较高。增加转子转速提高了转子对胶料的剪切力，这在一方面有利于提高配合剂分散的均匀性，另一方面也会增强对橡胶大分子链的剪切破坏作用，同时密炼室内温升加快，胶料流动性增加，对炭黑的分散不利，且易使橡胶大分子发生高温老化，因此提高转速对胶料性能的影响利弊共存。结合 效应、及基本 力 学 性 能 的 分 析 结 果 发 现，转 子 转 速 时硫化胶的疲劳寿命最低，这与炭黑的分散均匀性较差，同时硫化胶的强度较低有关。当继续增加转子转速时，剪切力对炭黑分散均匀性的提高占优势，胶料内部微观缺陷减少，因此疲劳寿命又逐渐上升。第期王浩翔，等 转子转速和薄通次数对胎面胶结构与性能的影响密炼机转子转速（）（）开炼机薄通次数（次）（）图不同混炼工艺硫化胶的疲劳寿命与转子转速对硫化胶疲劳寿命的影响相比，改变母炼胶薄通次数对硫化胶疲劳寿命的影响较小，且胶料的平均疲劳寿命高于普通密炼工艺。薄通 次胶料的拉伸强度、撕裂强度、定伸应力及拉断伸长率虽明显下降，但其疲劳寿命反而略高于其他胶料，这与炭黑分散均匀性最佳，体系中微观缺陷明显减少有关。硫化胶的磨耗性能对硫化胶 磨耗性能进行测试，结果如图所示。由图可以看出，随着转子转速和薄通次数的增加，硫化胶的 磨耗体积逐渐减小，耐磨耗性得到改善，这是由于提高转子转速增加了胶料的可塑性，在外界摩擦过程中，硫化胶试样可以尽快实现应力松弛，耗散较多能量，使胶料的耐磨性得到提高；对比而言改变薄通次数对磨耗性能的影响较小，且胶料的平均耐磨耗性能均优于普通密炼工艺。密炼机转子转速（）（）开炼机薄通次数（次）（）图不同混炼工艺硫化胶的 磨耗体积结论（）增加密炼机转子转速对混炼胶硫化特性参数、门尼黏度影响不明显，转子转速为 时胶料的 效应最低但差别不大；增加母炼胶薄通次数后，混炼胶的门尼黏度、硫化特性转矩差值及 效应逐渐降低，炭黑分散均匀性提高。（）改变薄通次数对硫化胶基本力学性能的影响较改变转子转速影响幅度大；增加密炼机转子转速硫化胶的基本力学性能呈现下降趋势，转子转速为 下胶料综合性能最佳；增加开炼机薄通次数，硫化胶的撕裂强度、拉断伸长率逐渐降低，薄 通 达 到 次 时 硫 化 胶 的 强 度 明 显弹性体第 卷降低。（）改变薄通次数对硫化胶疲劳性能和磨耗性能的影响较改变转子转速影响幅度小；增加转子转速硫化胶的疲劳寿命先下降后上升，耐磨性能逐渐提高。（）综合分析认为，密炼结合开炼机低温薄通的混炼效果优于普通密炼机一段混炼工艺。参考文献：姚亮，王国志 通用橡胶材料配方实用技术 北京：化学工业出版社，（）：肖鑫鑫橡胶终炼用高分布啮合型转子混炼机理及实验研究青岛：青岛科技大学，唐帆，聂卫