金剛石串珠繩鋸橡膠配方設計研究初探①

朱飛雷，江文佳，馮躍

（桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004）

金剛石串珠繩鋸橡膠配方設計研究初探①

朱飛雷，江文佳，馮躍

（桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004）

文章在金剛石串珠繩鋸對橡膠材料要求的基礎上，從生膠選擇、硫化體系、補強填充體系、軟化體系，粘合體系等各方面對繩鋸橡膠進行了細致的配方設計分析，并對硫化工藝中的常見問題提出了具體解決辦法。

金剛石串珠繩鋸；橡膠；配方設計；硫化工藝

0 前言

隨著金剛石繩鋸在石材礦山上的推廣應用，橡膠繩鋸的使用量急劇增加，其產(chǎn)量也遠遠超過注塑繩鋸。目前，注膠繩鋸多采用鍍銅鋼絲簾線，繩鋸的工作特性決定了它對橡膠性能的要求高于汽車輪胎帶束層、鋼圈膠以及鋼簾線骨架材料輸送帶橡膠，有其自身獨特的要求［1］：

（1）與鋼絲簾線粘結力要強，繩鋸橡膠最大的目的就是把橡膠與鋼絲簾線牢固的結合在一起；

（2）有較高的扯斷強度，經(jīng)得起沖擊碰撞；

（3）有優(yōu)良的耐曲折性能，繩鋸工作時要承受頻繁的彎曲應力，繩鋸不僅有周向運動，為防止偏磨還要有自轉運動；

（4）較好的耐熱性能，繩鋸工作時鋸切速度較快，摩擦劇烈，升溫較快；

（5）較強的耐介質、臭氧、日光紫外線、熱氧老化性能，防止橡膠中水溶性物質抽出。

本文從上述性能要求出發(fā)，參考相關文獻，從生膠選擇、硫化體系、補強填充體系、軟化體系，粘合體系等各方面進行了細致的配方設計分析，并對繩鋸橡膠硫化工藝中的常見問題，提出了具體的解決辦法。

1 繩鋸橡膠配方設計

1.1 生膠的選擇

鍍銅鋼絲簾線粘合的配方設計，橡膠生膠類型對粘合性能的影響最大。一般來說，粘合性能順丁橡膠＜丁苯橡膠＜天然橡膠＜氯丁橡膠＜丁腈橡膠，極性越大，粘合性能越高。丁腈橡膠極性高，但為非自補強橡膠，采用硫磺硫化體系扯斷強度低，采用過氧化物硫化體系則粘合性能差，且加工較困難。氯丁橡膠雖為自補強性橡膠，但不能采用硫磺硫化體系，硫化速度慢，易焦燒。天然橡膠生膠強度、撕裂強度高，粘合性能較好，且加工性能優(yōu)良，所以粘合配方設計一般采用天然橡膠，或者為了控制成本和保持老化后的粘合性能采用天然橡膠與少量丁苯橡膠并用的配方，隨著NR／SBR并用比的增加，老化前后的鋼絲簾線抽出力都比較高［2］。

1.2 補強填充體系和軟化體系

補強體系對粘合有一定的影響，選用炭黑時可以了解到：1.炭黑粒度越細，結構度越高，比表面積越大，在膠料中的粘合力越好；2.炭黑表面的活性基團越多，在膠料中的粘合力越好；3.炭黑粒子的硬度越大，在膠料中的粘合力越好［3］。

繩鋸橡膠在使用時經(jīng)受強烈的沖擊碰撞，所以宜選用粒度較細的高耐磨炭黑或中超耐磨炭黑，以增加強度；同時因工作特點繩鋸橡膠扭曲變形較其他鋼絲簾線粘合配方的要大，因此，串珠基體與橡膠結合部位應力集中，需要更高的耐曲折性能，不宜選用太高結構的炭黑；繩鋸橡膠多采用平板硫化，為提高生產(chǎn)效率硫化溫度一般較高，從工藝安全性的要求出發(fā)也不宜選用太高結構的炭黑。綜合以上因素繩鋸橡膠選用中超耐磨炭黑N220或者高耐磨炭黑N330、N326、N375較好。

選用白炭黑更多的是為增強樹脂——鈷鹽粘合體系，具有協(xié)同粘合的作用。但增加白炭黑勢必影響焦燒安全性和增加工藝困難度，如果配用偶聯(lián)劑則將顯著減少對粘接力的提高，且會進一步降低焦燒安全性。所以白炭黑用量一般較少，在15份以內［2］。

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軟化油有利于提高橡膠加工性能和橡膠向鋼絲簾線內部的滲透，但會降低粘結力，且增大橡膠生熱。繩鋸在工作時摩擦劇烈，無冷卻水時升溫較快，所以在繩鋸橡膠配方中不宜加軟化油，或者只為調解硬度、耐曲折性能而加入少量。

1.3 粘合體系

在橡膠中添加粘合增進劑，可大大提高橡膠與鋼絲簾線的粘合力，增進劑體系大體分為樹脂粘合體系、鈷鹽粘合體系、樹脂與鈷鹽并用粘合體系三個類型。繩鋸橡膠最大的目的就是把橡膠與鋼絲簾線牢固地結合在一起，為增強橡膠與鋼絲簾線的粘接，采用樹脂與鈷鹽并用，配合白炭黑，即間甲白鈷體系效果最好［4］。

間甲樹脂一般選用預分散間苯二酚或者預縮合樹脂做間苯二酚給予體，預分散的六亞甲基四胺（HMT）或者六甲氧基甲基密胺作為亞甲基給予體，且配比為1∶2時粘結效果較好。

為控制橡膠與黃銅粘合反應中硫化亞銅的生產(chǎn)速率，應當選用合適的有機鈷鹽，不同的鈷鹽在橡膠中的溶解度不同，反應活性順序為：硼?；挘拘鹿锼徕挘经h(huán)烷酸鈷＞硬質酸鈷，硼?；捄托鹿锼徕捴锈捄扛?，可減少伴生的金屬鹽類對橡膠的催化老化，且有良好的耐濕熱和耐鹽水的優(yōu)點［5］。但無論哪種鈷鹽都必須嚴格控制橡膠中金屬鈷的含量，添加過量鈷鹽將使粘合反應過度，以致不能或者良好的粘合。

1.4 老化體系

根據(jù)繩鋸的特點和工作環(huán)境，在使用中既有高強度的機械應力扭轉作用，又有高溫（90℃～100℃）、氧、臭氧（活性高）、日光曝曬（紫外光作用），弱堿性水的浸泡、抽出和溶脹，在這些因素的共同作用下，橡膠性能會急劇變化，與鋼絲簾線粘接力會下降，進而產(chǎn)生脫膠和串珠的后果。氧、臭氧可以與橡膠中的橡膠分子中雙鍵發(fā)生游離基鏈鎖反應，致使分子鏈出現(xiàn)過度交聯(lián)或者斷裂；紫外光能釋放出巨大的能量，不僅可以使橡膠發(fā)生分子鏈的交聯(lián)或者斷裂，而且還可以致使橡膠出現(xiàn)游離基，導致橡膠出現(xiàn)氧化鏈反應；活化作用是熱對橡膠的主要作用，當溫度增到一定的極限時，氧擴散速度提高，致使出現(xiàn)活化氧化反應，因此橡膠氧化反應的速度急劇增加，即熱氧老化；當橡膠遭受冷卻水的浸泡時，橡膠中的親水基團與水溶性物質等成分（包括防老劑）被水抽提溶解，在大氣曝露以及雨水浸泡的交替作用下，加速橡膠內部結構的破壞；機械扭轉應力對橡膠可以反復地發(fā)生作用，致使橡膠分子發(fā)生鏈斷裂，加速橡膠熱氧反應，同時使橡膠物理性能急劇降低［6］。

從整體上來說，繩鋸橡膠使用環(huán)境苛刻，防老化要求遠高于其他粘合配方橡膠制品，宜選用胺類防老劑、喹啉類二者并用，如防老劑RD（防熱氧）和防老劑4020（防熱氧、曲折、水抽出）并用，同時應加大使用份量。

1.5 硫化體系

關于鋼絲簾線與橡膠的粘結機理，一般認為是黃銅鍍層中的Cu與橡膠中的S相互結合，在界面形成CuS。橡膠中的S不只參加硫化反應，同時也發(fā)生粘合反應，要設法使這兩種反應達到同步狀態(tài)。因此，橡膠中的硫化體系對鋼絲簾線和橡膠的粘合性能具有非常重要的影響［7］。

促進劑的選用既要考慮物理性能和粘結性能，又要考慮工藝操作安全性。鋼絲粘合配方要求具有一定的焦燒時間，以利于高溫硫化和橡膠向鋼絲簾線內部滲透，為了獲得硫化誘導期長、硫化平坦區(qū)寬、開始硫化后能快速達到正硫化點的膠料，一般采用后效性的次磺酰胺類促進劑較好。

為增加導熱性和促進劑的溶解度，需加8～10份的氧化鋅，為減少酸對鋼絲簾線的腐蝕，硬脂酸的用量應在0.5份以下，為適應繩鋸橡膠的高溫硫化方式，應采用防焦劑。

2 繩鋸橡膠配方實例

以下兩個配方實例都是以輪胎鋼絲膠配方為基礎的。輪胎鋼絲膠配方是比較傳統(tǒng)的鋼絲粘合配方，因處于鋼圈部位，變形量較小，一般都設計成添加過量的補強劑，甚至過量的硫磺以提高橡膠模量、提高粘結力，這樣的配方成本較低，配方簡單。

2.1 低硬度配方和性能舉例

本配方采用NR／SBR并用生膠體系、粒度較細的高耐磨炭黑、間甲鈷粘合體系、后效性的次磺酰胺類促進劑和不溶性硫化的硫化體系。低硬度配方和性能如表1。

表1 低硬度配方和性能Table 1 The low hardness formula and its properties

本配方具有較高的強度、粘接力和優(yōu)良的耐曲折，耐熱性能。適用于切割斷面小、彎曲大的普通型金剛石繩鋸。

2.2 高硬度配方和性能舉例。

在低硬度配方的基礎上增加炭黑用量或者增硬樹脂以提高橡膠模量，增加硬度。高硬度配方和性能如表2。

表2 高硬度配方和性能Table 2 The high hardness formula and its properties

本配方具有較高的強度，優(yōu)良的粘接力。適用于切割速度較低的鋼混繩鋸。

3 繩鋸橡膠硫化工藝常見問題及原因分析

3.1 硫化后橡膠不飽滿，缺膠

可能的原因及解決的辦法：1）橡膠填充不足或者填充不均勻，橡膠填充以合模后有稍許膠料溢出為標準，橡膠在放入模具前應裁剪均勻。2）橡膠與模具預熱程度不夠或者橡膠門尼粘度太大，造成流動性不好，應當確保模具有足夠的預熱時間且升溫到工藝設定硫化溫度。3）橡膠焦燒時間短，在未充滿模腔時即已焦燒，應調整配方，或加大防焦劑用量以增加焦燒時間。

3.2 硫化后橡膠與鋼絲簾線不粘接

可能的原因及解決的辦法：1）鋼絲簾線表面受到污染，應加強鋼絲簾線流轉過程監(jiān)控，減少污染。2）硫化溫度、硫化壓力低或硫化時間不足，橡膠與鋼絲簾線未反應完全，應確保硫化工藝按要求執(zhí)行。3）橡膠配方設計不當，粘合體系、硫化體系等不適用，應調整配方。

4 結論與建議

（1）以上配方設計分析和實例表明，繩鋸橡膠配方性能要求遠高于其他粘合配方，有其自身獨特的要求，在配方設計時應加強粘接力、耐曲折、耐熱、耐介質性能。

（2）金剛石繩鋸在硫化前后流轉過程較多，鋼絲簾線、串珠、橡膠都有可能出現(xiàn)問題，在生產(chǎn)時應加強過程監(jiān)控。

鳴謝：本文得到基金項目“金剛石繩鋸組鋸繩的開發(fā)”桂工信投資［2012］297號的資助。

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Research on formulation Design of rubber for diamond wire saw

ZHU Fei－lei，JIANG Wen－jia，F(xiàn)ENG Yue
（Guilin Tebon Superhard Material Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi 541004，China）

In this paper，based on the requirements of diamond wire saw for the rubber materials，the rubber formulation of the wire saw are Designed and analyzed in detail from the aspects of raw rubber selection，vulcanization system，reinforcement of filling system，soften system and bonding system.It has put forward the solutions to the common problems of vulcanization technology.

diamond wire saw；rubber；formulation Design；vulcanization process

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0017－04

2012－07－10

朱飛雷（1984－），男，江西南城縣人，桂林新材料有限公司助理工程師，主要從事金剛石串珠繩鋸固定材料配方設計和工藝管理工作。63208016＠99.com