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乐通lt118-捏炼机:银菊胶在汽车橡胶制品中的应用

发布时间:2018-05-24 22:23:00 点击:    关键词:密炼机,捏炼机,开炼机,橡胶机械

泰州科德橡胶机械-捏炼机2018年5月24日讯:为了探究银菊胶可替代天然橡胶的程度,进行了含各种用量的银菊胶胶料的试验。结果表明,在天然橡胶胶料中,当银菊胶用量为40份时,胶料的焦烧时间和硫化时间与纯天然橡胶胶料相比几乎没有发生变化; 其硫化胶的定伸应力和撕裂强度也基本相同。最后在胶料中采用10份蛋壳替代10份炭黑,其胶料的硫变曲线和硫化胶的力学性能也基本相当。

关键词: 银菊胶;力学性能;蛋壳;替代

 

0 前 言

    银菊胶具有与天然橡胶基本相同的化学结构,即,顺式一1,4-聚异戊二烯,然而,银菊胶和天然橡胶含有不同量的蛋白质、低相对分子质量物质和其他杂质,这会使橡胶胶料有轻微的性能差异。天然橡胶和银菊胶的不同来源会造成胶料性能的差异。

    本研究的重点是确定如何在汽车橡胶制品中使用的天然橡胶中并入一部分银菊胶,并对银菊胶和天然橡胶的并用以及用天然材料替代炭黑进行了评估。作为炭黑填料的替代品,天然填料可能会在橡胶制品配方中大量使用。对天然橡胶参考配方的性能以及调整配方的性能比较进行了讨论。

 

1  试 验

1.1 材料

    银菊胶乳胶是从银胶菊灌木的树干中经提取、与木质组织分离、脱脂以去除低相对分子质量物质并凝固而得来的。在本研究中,使用的银菊胶由PanAridus(美国亚利桑那州银胶菊生产商)提供,这家企业拥有与银菊胶的加工和表征相关的利。PanAridus银菊胶拥有稳定一致的相对分子质量:1 600 0001 900 000。本研究中使用的天然橡胶是来自Akrochem的ClarimerC V60 。

    本研究中使用的另一种材料是蛋壳,它是食品工业的废弃物。B arrera的研究证明了使用蛋壳作为银菊胶橡胶配方中炭黑的部分替代品的性能优势,特别是将其研磨至小于38μm粒度时的性能优势。在本研究中,微米粒度的蛋壳被加入到一个参考配方中,其中包含天然橡胶和银菊胶并用胶。使用的干燥蛋壳由M ichaelFoods(一家食品企业)提供,需使用双辊开炼机将其研磨至小于38μm的尺寸。分别对有膜蛋壳和无膜蛋壳进行了研究测试,发现是否有膜并不会对胶料性能产生明显的影响。

如表1所示列出了三个配方:天然橡胶的参比配方、天然橡胶和银菊胶的配方、天然橡胶和银菊胶并用胶配方中使用10份蛋壳代替胶料中炭黑的配方。为适应配方中生胶或填料的变化,并没有对活化剂或硫化剂进行调整。

 

           表1 配方示例


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1.2 加 工

    将天然橡胶等配料在实验室用法雷尔剪切型密炼机按70%的填充系数配混,温度设定为15 0 0C,上顶栓压力设定为40 psi (1 psi=6.89kPa),转速设定为60 r/min。采用“一段混炼”法,首先加入1/2的生胶、填料、油、氧化锌和硬脂酸,然后加入剩余的生胶、抗降解剂和硫化剂。在密炼机密炼后,橡胶在法雷尔两辊开炼机上下片。橡胶胶料混炼工艺如表2所示。混炼步骤如图1所示。

       表2 天然橡胶胶料混炼工艺


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    硫化速率根据ASTM D 2084使用振荡圆盘流变仪(Tech Pro rheoTech ODR,振荡角度为3°)测试。橡胶试片模压成型,硫化温度为160℃,硫化时间为t90 + 5 min。


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1.3 物理性能

对天然橡胶胶料的力学性能,如拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度和硬度等进行了评价。根据ASTM D 412(方法A、口型O测试其拉伸性能。使用液压冲切机从2 mm厚的试片上裁出5个哑铃形拉伸试样。根据ASTM D 624做抗撕裂实验,测试其抗撕裂性。使用配备有5 kN测力的负荷传感器和长行程伸长计的Instron双柱测试系统评价其拉伸和撕裂性能。测量长度为25 mm,牵引速度500 mm/min。按照ASTM D 2240中所述测量其邵尔A硬度。

 

2  结果与讨论

2.1 银菊胶替代天然橡胶

    银菊胶和天然橡胶很类似,但是,二者并不完全相同。本研究最初采用银菊胶完全替代天然橡胶,且没有调整其他材料的配方。即,用50份银菊胶代替50份天然橡胶的配方和纯天然橡胶参比配方。

    图2比较了100份天然橡胶,50份天然橡胶/50份银菊胶和100份银菊胶胶料的流变曲线。如按照t}o+ Smin测试,天然橡胶和银菊胶50:50并用胶最高转矩仅略微降低,并略微增加了硫化时间。相比之下,100份银菊胶胶料明显产生了更低的最高转矩和更长的硫化时间。表3提供了关于硫化仪曲线特性的总结。从数据可以看出,当配方中使用超过50%的银菊胶时,银菊胶中的树脂和其他组分可能会干扰胶料的硫化。

    图3和图4提供了100份天然橡胶、100份银菊胶、50:50天然橡胶银菊胶并用胶的力学性能,其数值以100份天然橡胶胶料的数值做了归一化处理。图3是未老化胶料性能的对比,图4是老化后胶料性能的对比。

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     图2 天然橡胶和银菊胶胶料的流变仪曲线


      表3 天然橡胶和银菊胶胶料的流变仪数据


   图3 未老化天然橡胶和银菊胶胶料的归一化物理性能比较



   图4 老化后天然橡胶和银菊胶胶料的归一化力学性能比较


未老化的100份天然橡胶和未老化50:50天然橡胶/银菊胶胶料的力学性能没有太大差别。与100份天然橡胶胶料的力学性能相比,未老化的100份银菊胶胶料的定伸应力明显降低,且其抗撕裂性能也有一些降低。

    基本上,从老化胶料的力学性能对比中可以观察到它们有相同的趋势,唯一的例外是50:50天然橡胶/银菊胶并用胶料的抗撕裂性能降低了。

  图5 ~7分别展现了未老化胶料的100%定伸应力,300%定伸应力和抗撕裂性能更详细的对比。如图5所示,虽然未老化的50:50并用胶的100%定伸应力较低,但是100份银菊胶胶料的定伸应力更低。图6显示100份天然橡胶胶料和50:50并用胶的300%定伸应力没有差异,但是100份银菊胶胶料的300%定伸应力则明显下降。这种效应有可能是由于银菊胶中的化学成分干扰了100份银菊胶胶料的硫化。

     图7提供了胶料抗撕裂性能数据。测试方法会产生一定程度的误差,大家可以认为胶料之间的抗撕裂性能没有差异。有必要进行进一步测试,以期对性能差异做出正确的判断。然而,其中两种胶料的抗撕裂性能似乎在老化后反而增加了。这可能归因于橡胶老化所造成的单硫键数量增加。


     图5 天然橡胶和银菊胶胶料的100%定伸应力比较


    进一步测试天然橡胶制品配方中银菊胶替代天然橡胶的程度。在本测试中,分别用10%,20%, 30%, 40%和50%的银菊胶替代天然橡胶,配方中的其他成分不做调整。基于先前的测试,预计这些用量的银菊胶替代天然橡胶的胶料性能应该没变,但是有必要对预测的结果进行确认。



     图8提供了用少量银菊胶替代天然橡胶后胶料的流变仪曲线。当添加银菊胶时,其并用胶的流变仪数据与100份纯天然橡胶胶料的流变仪数据对比显示,最高转矩初始损失最大,但是当银菊胶替代量达到50份时,其胶料的流变仪转矩变化就很小了。其测量的tsz焦烧时间和t90。硫化时间非常相似,由此看来这并不取决于配方中银菊胶的含量。


    图8 银菊胶用量增加到50份后胶料的流变仪曲线比较


表4总结了胶料的流变仪数据。当银菊胶用量增加到40份时,配方中的焦烧时间和硫化时间没有发生变化。当银菊胶用量增加到50份时,胶料的焦烧时间和硫化时间都有所增加。50份银菊胶替代天然橡胶的胶料的△转矩(Mu-M)降低,但是替代天然橡胶的银菊胶用量达到40份时,其胶料的转矩没有变化。当达到50份时,胶料转矩则降低了。虽然本研究得到的绝对数值与以前研究得到的数值有所不同,但趋势是相同的。造成差异的原因可能是使用了不同批次的实验化学品或混炼胶料的操作员因素。

 

  表4 银菊胶用量增加到50份后胶料的流变仪数据



     图9展示用50份银菊胶替代天然橡胶胶料的力学性能数据相对于100份天然橡胶胶料的力学性能做归一化处理后的雷达图。与100份天然橡胶胶料的力学性能相比,所有含银菊胶胶料的定伸应力和抗撕裂性能均降低不而伸长率增加了。当银菊胶用量达到40份时,胶料的力学性能几乎没有差别。然而,当银菊胶的用量到50份时,其胶料的定伸应力和拉伸强度大幅度地降低了。

     图10~12更进一步分别展示了这些胶料的100%定伸应力、300%定伸应力及其抗撕裂性能。在配方中加入银菊胶,其胶料的100%定伸应力下降,随着银菊胶用量的增加其变化不大。但是,当银菊胶用量增加到50份时,其胶料的100%定伸应力下降稍大。

     图11展示了银菊胶增加时其胶料300%定伸应力的变化。又一次看到,在配方中加入银菊胶,其胶料的300%定伸应力是下降的,但是,银菊胶用量加入到40份时,其胶料定伸应力基本一致。当银菊胶用量加到50份时,其胶料定伸应力又下降了。

     图12展示了胶料的抗撕裂性能。正如先前的分析那样,抗撕裂性能检测存在相当大的误差,并且各种胶料产生的数据没有显示出统计学上的显著差异。

     随着银菊胶替代天然橡胶用量增加到40份时,试验结果显示胶料的性能几乎没有变化。当银菊胶用量达到50份时,其胶料的力学J胜能略有下降。为了保持物理性能,大家将硫化体系用量增加10%。硫化体系就是配方中使用的硫磺和促进剂。有可能银菊胶中其他的化学成分会干扰硫化,造成较低的交联密度,这可以从100份银菊胶胶料的较低的最高转矩数据和较低定伸应力数据证明。表5列出了参考配方、50份银菊胶+50份天然橡胶配方及其再加硫化剂的配方。


   图9 银菊胶用量增加到50份后胶料的归一化物理性能比较

 

  

 图10 银菊胶用量增加到50份后胶料的100%定伸应力比较


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   图11 银菊胶用量增加到50份后胶料的300%定伸应力比较


   图12 银菊胶用量增加到50份后胶料的抗撕裂性能比较


      图13展示了具有硫化剂的50份银菊胶胶料与100份天然橡胶胶料、无配方调整的50份银菊胶胶料的力学性能对比数据。具有硫化剂的50份银菊胶胶料的定伸应力与100份天然橡胶胶料的定伸应力相当。在天然橡胶替代物的研发过程中,当使用更多量的银菊胶时,配方调整是必需的。


       表5 加硫化剂配方示例




  图13 具有硫化剂的50份银菊胶胶料和100份天然橡胶胶料归          一化力学性能比较

 

     图14提供了胶料100%定伸应力更详细的数据比较。具有硫化剂的50份银菊胶胶料和100份天然橡胶胶料的100%定伸应力大体相当。与未进行配方调整的50份银菊胶胶料的性能相比有明显的改善。从图15中也观察到300%定伸应力有类似的变化。


   图14 具有硫化剂的50份银菊胶胶料与其他胶料的100%定伸               应力比较


   图15 具有硫化剂的50份银菊胶胶料与其他胶料的300%定             伸应力比较

 

2.2 蛋壳在银菊胶配方中替代炭黑

     为了进一步改进天然橡胶配方中可再生材料的用量,研究了使用蛋壳替代炭黑。B arrera的研究明确:在银菊胶配方中,使用10份蛋壳可以使其胶料的性能达到最佳。在本研究中,10份蛋壳替代炭黑,而银菊胶的用量逐步增加。本研究的参考配方使用50份N550炭黑,因此这代表20%的炭黑被蛋壳替代。在100份天然橡胶配方中使用这个用量的蛋壳,在配方中分别用10份、20份、30份、40份的银菊胶替代天然橡胶。对基本配方中的其他材料没有再做调整。

     图16展示了含有10份蛋壳胶料随着银菊胶用量的增加其流变仪曲线的变化趋势。当用10份蛋壳替代配方中的10份N550炭黑时,流变仪曲线没有变化。流变仪数据见表6。但随着含有10份蛋壳的配方中银菊胶用量的增加,其胶料的焦烧时间不受影响,但是硫化时间明显减少。胶料的△转矩(MH-ML)很少或者没有影响,这表明聚合物交联水平的一致性。

   图16 蛋壳和银菊胶用量变化对胶料流变仪曲线的影响

 

   表6 不同银菊胶和蛋壳用量的胶料的流变仪数据



    图17展示了实验胶料力学性能数据雷达图。如前所述,随着配方中银菊胶用量的增加,其定伸应力和撕裂强度明显降低了。但是,其减少是同步的,与配方中银菊胶的用量无关,却与其是否添加有关。在配方中加了蛋壳不会进一步降低定伸应力和撕裂强度性能。

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   图17 不同银菊胶和蛋壳用量胶料的归一化力学性能比较


3 结 论

本项研究结果证明:在天然橡胶制品配方中,可以用银菊胶替代天然橡胶。当替代量达到40份时,对胶料的力学性能没有明显的影响。含银菊胶胶料的定伸应力会略有下降,但是当胶料性能满足应用要求时,其可以使用。

    当银菊胶的用量达到50份时,其胶料性能明显降低。但是,通过调整配方即增加10%的硫化剂,可以改善胶料物理性能的下降。与100份天然橡胶胶料的物理性能相比,含银菊胶胶料增加硫化剂用量后他们的所有物理性能是相当的。如果要使胶料的定伸应力调整到与100份天然橡胶胶料的定伸应力相当时,可以将银菊胶用量加到40份。

    本研究的最后一步是在配方中用蛋壳替代一部分炭黑。基于B arrera前期的研究数据,将蛋壳的用量确定为10份。并与没有添加蛋壳胶料的物理性能相比,添加蛋壳并含40份银菊胶胶料的力学性能与无蛋壳胶料的力学性能是相当的,这证明了蛋壳作为填料的有效性。

 银菊胶在天然橡胶制品配方中替代天然橡胶,这会降低产品的成本。蛋壳在配方中的使用,会更进一步改进天然材料可再生材料的用量。


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