膠料熱煉工藝對(duì)一種橡膠金屬減振關(guān)節(jié)性能的影響

曹廣如，白書(shū)欣，程海濤（.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天與材料工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 40073；.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 4007）

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膠料熱煉工藝對(duì)一種橡膠金屬減振關(guān)節(jié)性能的影響

曹廣如1，2，白書(shū)欣1，程海濤2
（1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天與材料工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

以一種橡膠金屬減振關(guān)節(jié)為例，研究了開(kāi)煉機(jī)熱煉和螺桿擠出機(jī)熱煉對(duì)產(chǎn)品性能的影響。結(jié)果表明，螺桿擠出機(jī)熱煉工藝可以提高膠料溫度，并且膠料的溫度穩(wěn)定性更好；螺桿擠出機(jī)熱煉工藝產(chǎn)品的硫化程度更均勻，橡膠收縮率更小，剛度穩(wěn)定性及耐疲勞性能更好。

熱煉；減振關(guān)節(jié)；剛度；耐疲勞性能

0　前　言

在橡膠加工過(guò)程中，熱煉是混煉膠進(jìn)入壓延、貼合、硫化等后道工序前必經(jīng)的工藝過(guò)程，因此應(yīng)用面非常廣。熱煉的目的是使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間停放后的混煉膠重新恢復(fù)后續(xù)加工過(guò)程中不可或缺的熱塑性、流動(dòng)性，從而為成型工藝奠定良好的基礎(chǔ)。熱煉通常在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行［1］。

在橡膠模型制品生產(chǎn)中，平板硫化機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓力大、適應(yīng)性廣、設(shè)備投資低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。在硫化裝模前，膠料通常須使用開(kāi)煉機(jī)進(jìn)行熱煉。而橡膠注射機(jī)本身帶有的螺桿擠出注射裝置也是將膠料進(jìn)行熱煉和塑化，因此使用注射機(jī)生產(chǎn)，膠料不再需要經(jīng)過(guò)開(kāi)煉機(jī)的熱煉，并且生產(chǎn)的制品還具有性能均勻、穩(wěn)定等特點(diǎn)［2］。

開(kāi)煉機(jī)熱煉在生產(chǎn)過(guò)程中具有等待時(shí)間長(zhǎng)、效率低、噪音大、對(duì)操作人員依賴性高、熱煉后膠料溫度波動(dòng)大等特點(diǎn)。螺桿擠出注射裝置能有效控制熱煉溫度，并且具有能耗小、占地少、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)［3］。

圖1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

本文選取一種橡膠金屬減振關(guān)節(jié)產(chǎn)品，研究了開(kāi)煉機(jī)熱煉和從注射機(jī)分離出的螺桿擠出機(jī)熱煉兩種工藝對(duì)產(chǎn)品尺寸及性能的影響，以期對(duì)相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)提供一定的參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1主要原材料

天然橡膠（NR），海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品；炭黑 N330，中橡集團(tuán)炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院炭黑分廠產(chǎn)品；膠粘劑，底膠CH205、面膠CH6108，洛德化學(xué)（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品；產(chǎn)品鐵件，自制；其他材料均為市售品。

1.2基本配方

基本配方（單位：份）：NR 100.0，炭黑N330 28.0，硫磺 2.5，促進(jìn)劑 1.4，氧化鋅 10.0，硬脂酸 2.0，防老劑 3.0，軟化劑 3.0，其他3.0。

1.3試驗(yàn)設(shè)備和儀器

K4密煉機(jī)，英國(guó)Farrel公司；XK-450開(kāi)煉機(jī)，宜興陽(yáng)昇機(jī)械有限公司；1000 t平板硫化機(jī)，衡陽(yáng)華誼機(jī)械有限公司；?75 mm螺桿擠出機(jī)，衡陽(yáng)華誼機(jī)械有限公司；CSS-55100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所；51Ⅱ型探針溫度計(jì)，美國(guó)FLUKE公司；十二通道疲勞試驗(yàn)機(jī)，北京富力通達(dá)科技有限公司。

1.4工藝流程及工藝

1.4.1工藝流程

圖2　螺桿擠出機(jī)示意圖

1.4.2熱煉工藝

開(kāi)煉機(jī)熱煉：膠料停放48 h后，使用開(kāi)煉機(jī)熱煉，調(diào)整輥距，出片，卷成圓筒，控制下料質(zhì)量在（2200±10）g。

螺桿擠出機(jī)熱煉：膠料停放48 h后，使用螺桿擠出機(jī)擠出熱煉，料筒設(shè)定溫度為80 ℃，擠出膠料，控制下料質(zhì)量在（2200±10）g。

1.4.3硫化工藝

產(chǎn)品硫化：采用一模四腔注壓模具，使用1000 t平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化，將熱煉好的膠料放入注膠筒，合模注膠，然后在150 ℃、30 min、600 t的條件下完成硫化成型。

圖3　硫化模具示意圖

1.5性能測(cè)試

溶脹指數(shù)測(cè)試：按HG/T 3870—2008測(cè)試。

產(chǎn)品徑向剛度測(cè)試：產(chǎn)品徑向加載250 kN力，測(cè)試20～230 kN間的剛度。

產(chǎn)品疲勞性能測(cè)試：在2 Hz的頻率下，徑向預(yù)加載18 kN力，再加載±95 kN力，循環(huán)200萬(wàn)次。

其他性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1不同熱煉工藝后膠料溫度的對(duì)比

使用同一批次膠料，采用開(kāi)煉機(jī)熱煉和螺桿擠出機(jī)熱煉，用探針溫度計(jì)測(cè)量膠料的溫度，結(jié)果詳見(jiàn)圖4。

圖4　不同熱煉工藝后膠料溫度對(duì)比圖

由圖4可以看出，開(kāi)煉機(jī)熱煉后膠料溫度在62.4～85.4 ℃之間，溫度極差為23 ℃，波動(dòng)范圍較大；而螺桿擠出機(jī)熱煉后膠料溫度在104.3～109.3 ℃之間，溫度極差只有5 ℃，溫度波動(dòng)范圍小。相對(duì)于傳統(tǒng)開(kāi)煉機(jī)熱煉，螺桿擠出機(jī)熱煉膠料的溫度提高20%以上。螺桿擠出機(jī)熱煉后膠料溫度提升并且穩(wěn)定的原因?yàn)椋郝輻U擠出機(jī)料筒恒溫加熱，溫度控制穩(wěn)定；而開(kāi)煉機(jī)輥筒溫度本身較低且波動(dòng)大，熱煉過(guò)程中受人為操作因素影響也比較大。

2.2不同熱煉工藝對(duì)產(chǎn)品硫化程度的影響

使用同一批次膠料，分別采用開(kāi)煉機(jī)熱煉和螺桿擠出機(jī)熱煉預(yù)成型，裝模硫化產(chǎn)品。產(chǎn)品硫化出模后，取其外層和內(nèi)層橡膠測(cè)定溶脹指數(shù)，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1　熱煉工藝對(duì)產(chǎn)品硫化程度的影響

由表1可以看出，采用開(kāi)煉機(jī)熱煉工藝硫化的產(chǎn)品，其外層和內(nèi)層橡膠溶脹指數(shù)差異較大，并且相對(duì)于螺桿擠出機(jī)熱煉工藝產(chǎn)品，其溶脹指數(shù)較大，即交聯(lián)密度較小。說(shuō)明螺桿擠出機(jī)熱煉工藝產(chǎn)品的硫化程度更好，并且內(nèi)外層硫化程度均一穩(wěn)定。其原因?yàn)椋郝輻U擠出機(jī)熱煉的膠料進(jìn)入模腔的初始溫度較高，并且膠料內(nèi)層也有較高的初始溫度，膠料各層都能夠較快地進(jìn)入熱硫化階段；而開(kāi)煉機(jī)熱煉預(yù)成型的膠料初始溫度較低，并且內(nèi)層膠料相對(duì)于外層膠料會(huì)較慢進(jìn)入熱硫化階段，造成各層硫化膠料硫化程度相差較大。

2.3不同熱煉工藝對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響

使用同一批次膠料，分別采用開(kāi)煉機(jī)熱煉和螺桿擠出機(jī)熱煉，裝模硫化產(chǎn)品。產(chǎn)品硫化出模后，室溫條件下停放24 h后進(jìn)行產(chǎn)品直徑尺寸測(cè)量，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，開(kāi)煉機(jī)熱煉硫化的產(chǎn)品相對(duì)于螺桿擠出機(jī)熱煉硫化的產(chǎn)品尺寸較小，說(shuō)明開(kāi)煉機(jī)熱煉硫化的產(chǎn)品膠料收縮率較大。這是由于在較高的初始溫度下，膠料的流動(dòng)性更好，熱煉后的膠料更容易進(jìn)入硫化模具的模腔，使產(chǎn)品橡膠部分更密實(shí)，出模后收縮率更小。由于螺桿擠出機(jī)熱煉膠料溫度較高，所以其硫化后的產(chǎn)品收縮率更小。

圖5　不同熱煉工藝產(chǎn)品直徑尺寸對(duì)比圖

2.4不同熱煉工藝對(duì)產(chǎn)品剛度的影響

使用同一批次膠料，分別采用開(kāi)煉機(jī)熱煉和螺桿擠出機(jī)熱煉，裝模硫化產(chǎn)品。產(chǎn)品硫化出模后，室溫條件下停放24 h后進(jìn)行產(chǎn)品徑向剛度試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同熱煉工藝產(chǎn)品徑向剛度對(duì)比圖

由圖6可以看出，相對(duì)于螺桿擠出機(jī)熱煉硫化的產(chǎn)品，開(kāi)煉機(jī)熱煉硫化產(chǎn)品的徑向剛度較小且波動(dòng)較大，說(shuō)明開(kāi)煉機(jī)熱煉后膠料的溫度、產(chǎn)品的硫化程度、產(chǎn)品的直徑尺寸對(duì)產(chǎn)品徑向剛度產(chǎn)生了累積影響。這是由于在較低且波動(dòng)較大的熱煉膠料溫度下，產(chǎn)品的硫化程度相對(duì)較差且不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品橡膠收縮率較大，直徑尺寸較小。在進(jìn)行徑向剛度試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)品徑向預(yù)壓縮量較小，因此徑向剛度也較小。

2.5不同熱煉工藝對(duì)產(chǎn)品橡膠/金屬粘合性能的影響

分別抽取開(kāi)煉機(jī)熱煉和螺桿擠出機(jī)熱煉硫化后的產(chǎn)品進(jìn)行軸向破壞試驗(yàn)（見(jiàn)圖7），結(jié)果見(jiàn)表2。

圖7　產(chǎn)品軸向破壞實(shí)物圖

表2　不同熱煉工藝產(chǎn)品粘合性能對(duì)比

由表2可以看出，兩種熱煉工藝產(chǎn)品軸向破壞附膠率都為100%，但螺桿擠出機(jī)熱煉硫化產(chǎn)品軸向破壞力更大。這是由于螺桿擠出機(jī)熱煉預(yù)成型硫化產(chǎn)品的硫化程度更均勻充分，橡膠部分的撕裂強(qiáng)度更大，抵抗外力破壞的能力更強(qiáng)。

2.6不同熱煉工藝對(duì)產(chǎn)品疲勞性能的影響

分別取開(kāi)煉機(jī)熱煉和螺桿擠出機(jī)熱煉硫化后的產(chǎn)品進(jìn)行徑向疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　不同熱煉工藝產(chǎn)品疲勞性能對(duì)比

由表3可以看出，螺桿擠出機(jī)熱煉硫化的產(chǎn)品疲勞剛度變化率明顯要小，耐疲勞性能更好，說(shuō)明采用螺桿擠出機(jī)熱煉工藝可以改善產(chǎn)品的耐疲勞性能。這也是由于螺桿擠出機(jī)熱煉工藝硫化的產(chǎn)品，其橡膠部分硫化程度更均勻所致，其在疲勞過(guò)程中橡膠分子鏈發(fā)生斷裂的可能性更低。

3　結(jié)　論

（1）相對(duì)于開(kāi)煉機(jī)熱煉膠料，螺桿擠出機(jī)熱煉膠料可以明顯提高膠料溫度，并且膠料的溫度穩(wěn)定性更好。

（2）相對(duì)于開(kāi)煉機(jī)熱煉膠料硫化產(chǎn)品，采用螺桿擠出機(jī)熱煉的膠料硫化程度更均勻，并且收縮率更小、產(chǎn)品剛度更大，剛度穩(wěn)定性以及疲勞性能更好。

Keуwords: Thermal Re fi ning； Damping Joint； Stiffness； Fatigue Performance

［1］楊清芝.現(xiàn)代橡膠工藝學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：364-369.

［2］楊順根，白仲元.橡膠工業(yè)手冊(cè)修訂版（第九分冊(cè) 下冊(cè)）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994：828-876.

［3］王宏訓(xùn)，邵森，王善河，單鵬.銷釘機(jī)筒冷喂料擠出機(jī)在壓延生產(chǎn)線上的應(yīng)用［J］.輪胎工業(yè)，2005，25（7）：422-423.

［責(zé)任編輯：朱 胤］

Еffects of Rubber Тhermal Re fi ning Process on the Properties of A Metal-Rubber Damping Joint

Cao Guangru1，2，Bai Shuxin1，Cheng Haitao2
（1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China； 2.Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou 412007，China）

Taking a metal-rubber damping joint as an example，the effects of open mixer thermal re fi ning and screw extruder thermal re fi ning on the properties of the product was studied.The results showed that the screw extruder thermal re fi ning process can improve the rubber temperature and the rubber temperature stability.The cure degree of the product was more uniform，the rubber shrinkage was smaller，the stiffness stability and the fatigue performance was better.

TQ 336.4+2

A

1671-8232（2016）04-0024-04

曹廣如（1984— ），男，山東臨沂人，工程師，國(guó)防科技大學(xué)在讀工程碩士研究生，主要從事橡膠減振制品的工藝研究和工藝管理工作。

2016-01-06